Текст
НАУЧНО-РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
ИЗДАТЕЛЬСТВА «СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ»
А. М. ПРОХОРОВ (председатель), И. В. АБАШИДЗЕ, П. А. АЗИ-
АЗИМОВ, А. П. АЛЕКСАНДРОВ, В. А. АМБАРЦУМЯН, М. С. АСИ-
МОВ, М. П. БАЖАН, Ю. Я. БАРАБАШ, Н. В. БАРАНОВ,
A. Ф. БЕЛОВ, Н. Н. БОГОЛЮБОВ, П. У. БРОВКА, Ю. В. БРОМ-
ЛЕЙ, Б. Э. БЫХОВСКИЙ, В. X. ВАСИЛЕНКО, Л. М. ВОЛОДАР-
ВОЛОДАРСКИЙ, В. В. ВОЛЬСКИЙ, Б. М- ВУЛ, С. Р. ГЕРШБЕРГ, М. С. ГИ-
ЛЯРОВ, В. П. ГЛУШКО, В. М. ГЛУШКОВ, Г. Н. ГОЛИКОВ,
Д. Б. ГУЛИЕВ, А. А. ГУСЕВ (заместитель председателя), В. П.
ЕЛЮТИН, В. С. ЕМЕЛЬЯНОВ, Е. М. ЖУКОВ, А. А. ИМШЕНЕЦ-
КИЙ, Н. Н. ИНОЗЕМЦЕВ, А. Ю. ИШЛИНСКИЙ, М. И. КАБАЧ-
НИК, Г. А. КАРАВАЕВ, К. К. КАРАКЕЕВ, М. К. КАРАТАЕВ,
Б. М. КЕДРОВ, Г. В. КЕЛДЫШ, В. А. КИРИЛЛИН, И. Л. КНУ-
КНУНЯНЦ, С. М. КОВАЛЕВ (первый заместитель председателя), Ф. В.
КОНСТАНТИНОВ, В. Н. КУДРЯВЦЕВ, М. И. КУЗНЕЦОВ
(заместитель председателя), В. Г. КУЛИКОВ, И. А. КУТУЗОВ,
П. П. ЛОБАНОВ, Г. М. ЛОЗА, Ю. Е. МАКСАРЕВ, П. А. МАР-
МАРКОВ, Ю. Ю. МАТУЛИС, Г. И. НААН, Г. Д. ОБИЧКИН, Н. В.
ОГАРКОВ, Б. Е. ПАТОН, В. М. ПОЛЕВОЙ, М. А. ПРОКОФЬЕВ,
Ю. В. ПРОХОРОВ, Н. Ф. РОСТОВЦЕВ, А. М. РУМЯНЦЕВ,
Б. А. РЫБАКОВ, В. П. САМСОН, М. И. СЛАДКОВСКИЙ,
B. И. СМИРНОВ, В. Н. СТОЛЕТОВ, Б. И. СТУКАЛИН, А. А. СУР-
СУРКОВ, М. Л. ТЕРЕНТЬЕВ, С. А. ТОКАРЕВ, В. А. ТРАПЕЗНИ-
ТРАПЕЗНИКОВ, Е. К. ФЕДОРОВ, М. Б. ХРАПЧЕНКО, Е. И. ЧАЗОВ,
В. Н. ЧЕРНИГОВСКИЙ, Я. Е. ШМУШКИС, С. И. ЮТКЕВИЧ.
Ответственный секретарь Совета Л. В. КИРИЛЛОВА.
МАЛЕНЬНАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
вак
Главный редактор
И. П. ГОЛЯМИНА
Члены редколлегии
М. А. ИСАКОВИЧ, Ю. И. КИТАЙГОРОДСКИЙ,.
В. Е. ЛЯМОВ, И. Б. НАЙДЁНОВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ»
МОСКВА-1979
534@3)
У51
Книга подготовлена редакцией физи-
физики — зав. редакцией Д. М. АЛЕКСЕЕВ,
ст. научный редактор кандидат физико-
математических наук И.Б.НАЙДЁНОВА.
В подготовке Энциклопедии принимали участие:
Литературно-контрольная редакция — зав. редакцией М. М. ПО-
ПОЛЕТАЕВА, редактор Т. Б. ЗЕРЧЕНИНОВА.
Редакция библиографии — зав. редакцией 3. В. МИХАЙЛОВА,
научный редактор А. М. МАРТЫНОВ.
Редакция иллюстраций — зав. редакцией Г. В. СОБОЛЕВСКИЙ,
ст. художественный редактор К. Г. ГУРЬЯ-
ГУРЬЯНОВА.
Редакция словника — зав. редакцией А. Л. ГРЕКУЛОВА.
Отдел комплектования — зав. Р. Б. ИВАННИКОВА, мл. редактор
Е. В. АДАМОВА.
Техническая редакция — зав. А. В. РАДИШЕВСКАЯ, ст. техни-
технический редактор Г. В. СМИРНОВА.
Корректорская — зав. М. В. АКИМОВА и А. Ф. ПРОШНО.
Отдел перепечатки рукописей — зав. А. Т. ЛОГАЧЕВА.
<§) ИЗДАТЕЛЬСТВО-«СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ»
ОТ РЕДКОЛЛЕГИИ
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более ши-
широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спект-
спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной
физики, промышлениой технологии, информационной и измеритель-
измерительной техники, медицины и биологии.
Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё
в прошлом веке, основы широкого практического применения
ультразвука были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как область
науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие
в последние два-три десятилетия. Это связано с общим про-
прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и раз-
развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая
акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники
и в особеииости с рождением квантовой электроинки. Широкое
распростраиение ультразвуковых методов обусловлено появлением
новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн,
с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повы-
повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувст-
чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой — позво-
позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и
принимаемых волн в область гиперзвуковых частот.
Характерной особенностью современного состояния физики и
техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его
применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого
звука до предельно достижимых высоких частот и область мощнос-
мощностей от долей милливатта до десятков киловатт. Ультразвук приме-
применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл
и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обра-
обработки тончайших деталей; в качестве средства получения информа-
информации он служит как для измерения глубины, локации подводных
препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов
в ответствеиных деталях и изделиях; ультразвуковые методы ис-
используются для фиксации малейших изменений химического соста-
состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле
плотииы. На основании разнообразных воздействий ультразвука
на вещество образовалось целое технологическое направление —
ультразвуковая технология. В области контрольно-измерительных
применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раз-
раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности ко-
которой и разиообразие решаемых ею задач существенно возросли.
В самое последнее время сформировались как самостоятельные
области акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них свя-
связана с обработкой электрических сигналов, использующей преоб-
преобразование их в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроиики
наиболее известными и давно используемыми являются линии
задержки и фильтры. Достижения в области изучения поверх-
поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установле-
установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом
теле привели к существенному расширению возможностей этих
устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обес-
обеспечивающих более сложную обработку сигналов. Акустооптика,
связанная с обработкой световых сигналов посредством ультра-
ультразвука, является одной из самых молодых и быстро развивающихся
областей ультразвуковой техники. К новейшим ультразвуковым
методам принадлежит акустическая голография, перспективы
которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возмож-
возможность получения изображений предметов в непрозрачных для свето-
световых лучей средах.
Рассматривая многообразие практических применений ультра-
ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуко-
ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более
детальную информацию и является более безопасной, чем другие
методы диагностики, об ультразвуковой терапии, занявшей прочное
положение среди современных физиотерапевтических методов, и,
наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в меди-
медицине — ультразвуковой хирургии.
Наряду с применениями практического характера, ультразвук
играет вайшую роль в научных исследованиях. Нельзя себе пред-
представить современную физику твёрдого тела без применения ультра-
ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фононах, их
поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуж-
возбуждениями в твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко
используются методы молекулярной акустики; всё большую роль
играют ультразвуковые методы в биологии.
Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрас-
возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области
человеческой деятельности. Растёт число публикаций о нём в газе-
газетах и журналах, в популярных изданиях. Инженеры и научные ра-
работники, занятые в самых различных областях народного хозяйст-
хозяйства и науки, оценивают возможности использования ультразвуковых
методов для своих конкретных задач и в связи с этим хотят по-
получить представление о различных аспектах физики и техники
ультразвука на современном уровне. Однако имеющаяся научно-
техническая литература в иастоящее время не в состоянии пол-
ностыо удовлетворить такую потребность. Известные издания общего
характера, посвященные физике и технике ультразвука, зачастую
не соответствуют современному состоянию науки. Опубликован-
Опубликованные в последние годы специальные монографии научного и приклад-
прикладного характера предназначены для подготовленных читателей,
обладающих достаточным запасом знаний в области акустики и
смежных разделов физики, напр, физики твёрдого тела, или в ка-
какой-то определённой, связанной с ультразвуком отрасли техники.
Маленькая энциклопедия «Ультразвук» имеет целью дать широ-
широкому кругу читателей представление о том, что такое ультразвук
в современном понимании, каковы основные закономерности его
распространения, какие явления сопутствуют ему, каковы физи-
физические основы его применения в различных областях науки, тех-
техники и медицины, на каких принципах действуют различные
ультразвуковые приборы. Читатели, которым адресована эта кни-
книга,— инженеры, врачи и биологи, интересующиеся возможностями
применения ультразвука для решения своих профессиональных
задач или уже пользующиеся в своей работе теми или иными ультра-
ультразвуковыми приборами и желающие получить более систематические
сведения об ультразвуке, о механизме его воздействия, о пределах
применимости ультразвуковых методов. Она адресована также
студентам, аспирантам, преподавателям вузов и втузов, учителям
средних школ, желающим расширить и систематизировать свои
представления о предмете, и, наконец, всем читателям, интересую-
интересующимся прогрессом науки и техники.
Энциклопедия открывается обобщающей статьёй «Ультразвук»,
где рассматриваются основные особенности ультразвуковых волн и
даётся обзор их применений. Эта статья служит введением к основ-
основной части книги, состоящей более чем из 250 статей, расположен-
расположенных в алфавитном порядке, в которых излагаются основные зако-
закономерности, характеризующие распространение ультразвуковых
волн, рассматриваются связанные с ними физические явления в ве-
веществе и освещаются области его практического использования.
В статьях, непосредственно посвященных применению ультразвуко-
ультразвуковых методов в науке, технике, медицине, упор сделан на выявление
физических основ применения и на изложение принципов действия
ультразвуковых приборов. Приводятся нек-рые основные справоч-
справочные данные, касающиеся характеристик распространения ультра-
ультразвука в различных веществах, его частотных и динамических
диапазонов, используемых в различных областях практического
применения, а также сведения о достигаемых полезных эффектах.
Вместе с тем опциклоцедия не претендует на исчерпывающее из-
изложение предмета. Основная её цель — дать читателю представле-
представление о различных аспектах ультразвуковой техники в широком
смысле этого понятия с позиций современной физики и акустики.
Статьи энциклопедии можно подразделить на пять групп. Пер-
Первая из них характеризует процессы и явления, свойственные ко-
колебаниям и волнам вообще и акустическим в частности; вторая
описывает распространение ультразвуковых волн в веществе и их
взаимодействие со средой; в третьей рассматриваются различные
виды излучателей и приёмников ультразвука и физические явле-
явления, положенные в основу их действия; четвёртая группа посвяще-
посвящена практическому применению ультразвука — рассматриваются
как отдельные конкретные применения ультразвуковых методов
или конкретные приборы, так и области ультразвуковой техники
в целом; к пятой группе можно отнести вспомогательные статьи,
необходимые для понимания материала первых четырёх групп,
в них в основном рассматриваются понятия, относящиеся к строе-
строению вещества и к физике твёрдого тела.
Каждая крупная или средняя статья представляет собой крат-
краткий рассказ на тему заголовка статьи, напечатанного жирным
шрифтом, т. и. чёрного слова. Если в статье встречаются терми-
термины, которые могут быть непонятны читателю или по которым мож-
можно получить дополнительную информацию в других статьях, то
названия этих статей выделены курсивом. Если термин, набран-
набранный жирным шрифтом, имеет синоним, он набирается рядом свет-
светлым шрифтом н разрядкой. С целью экономии места в энцикло-
энциклопедии введена система сокращений (см. ниже).
Большинство статей снабжено библиографией, в которой чита-
читатель найдёт более исчерпывающее изложение вопроса и которая
содержит как монографии, так и журнальные статьи. В конце
книги помещён предметный указатель.
Авторами статей являются известные учёные — акустики и ве-
ведущие специалисты в области разработки и исследований ультразву-
ультразвуковых методов и приборов. В создании книги принимал участие
большой коллектив авторов — сотрудников Акустического инсти-
института АН СССР им. акад. Н.Н.Андреева, Московского государст-
государственного университета имени М. В. Ломоносова и других вузов и
научно-исследовательских учреждений.
и. п. голямина.
СОКРАЩЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ
ИЗМЕРЕНИЯ
В — вольт
Вт — ватт
гг.— годы
ГГц — гигагерц
гл. обр.— главным образом
Гс — гаусс
Гц — герц
°С — градус температурной
шкалы Цельсия
дГ> — децибел
Дж — джоуль
дин — дина
др.— другие
К — кельвин
к-рый — который
Кл — кулон
кГц — килогерц
к.-и. — какой-нибудь
к.-л.— какой-либо
коэфф.— коэффициент
МГц — мегагерц
мкм — микрометр
мкс — микросекунда
мс — миллисекунда
наз.— называется
напр.— например
Н — ньютон
нек-рый, — некоторый
Нп — непер
Ом — ом
Па — паскаль
пр.— прочий
рис.— рисунок
СВЧ — сверхвысокие часто-
частоты
СГС — абсолютная система
единиц (сантиметр, грамм,
секунда)
см.— смотри
ст.— статья
табл.— таблица
т. е.— то есть
темп-pa — температура
Т — тесла
т. к.— так как
т.н.— так называемый
т. о.— таким образом
УЗ — ультразвук
УЗ-вые — ультразвуковые
ур-ния — уравнения
ф-ла — формула
ф-ция — функция
эВ — электронвольт
эде — электродвижущая
сила
-~" — порядка величины
» — приближённо равно
к — длина волны
/ — циклическая частота
<о — круговая (угловая) ча-
частота, ш = 2л/
с — скорость звука
р — звуковое давление
I — интенсивность звука
к — волновой вектор (к —¦
волновое число)
е — основание натуральны:;
логарифмов
В прилагательных на «еский» опускается окончание, напр, акустич., физич. Век-
Векторные величины выделены полужирным шрифтом.
УЛЬТРАЗВУК
Ультразвук (УЗ) — упругие колебания и волны, частота к-рых превы-
превышает A,5—2)-104 Гц A5—20 кГц). Нижняя граница области УЗ-вых частот,
отделяющая её от области слышимого звука, определяется субъективными
< нопствами человеческого слуха и является условной, поскольку верхняя гра-
граница слухового восприятия человека имеет значительный разброс для раз-
различных индивидуумов. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физич.
природой упругих волн, к-рые могут распространяться лишь в материальной
среде, т. е. при условии, что длина волны значительно больше длины свобод-
свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях н твёр-
твёрдых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ определяют из условия
приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного про-
Гита молекул; при нормальном давлении она составляет ^г 109 Гц; в жидкостях
и твёрдых телах определяющим является равенство длины волны межатомным
расстояниям, и граничная частота достигает 1012—1013 Гц. В зависимости от дли-
длины волны и частоты УЗ обладает специфич. особенностями излучения, приёма,
Распространения и применения, поотому область УЗ-вых частот удобно подраз-
делить на три подобласти: низкие УЗ-вые частоты A,5-10* —105 Гц), средние
(КГ1—107 Гц) и высокие A07—109 Гц). Упругие волны с частотами 109—1013 Гц
принято называть гиперзвуком.
УЗ-вые волны применяются как в научных исследованиях для изучения
сгроения и свойств вещества, так и для решения самых разнообразных технич.
:«|дач. В связи с этим термин «ультразвук», или «ультразвуковая техника», часто,
используют для обозначения области науки и техники, занимающейся изуче-
изучением и ирактич. применениями акустич. волн и не имеющей целью непосредст-
иепное восприятие звуковой информации слуховой системой человека (соот-
нетствующий термин в зарубежной научно-технич. литературе — ultrasonics).
It таком понимании УЗ его частотный диапазон не ограничивается снизу строго
чистотой 15—20 кГц, а может захватывать и часть слышимого диапазона час-
гот. УЗ как область науки и техники является одним из разделов современ-
современной акустики.
Ультразвук как упругие волны. УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей
природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, а также от инфра-
мнуковых волн. В газах и жидкостях распространяются только продольные
полны, а в твёрдых телах — продольные и сдвиговые.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для
акустических волн любого диапазона частот, обобщённо называемых обычно
лнуковыми волнами, и описывается в первом приближении волновым урав-
уравнением, общим для всех частот (см. Волны). К основным законам распростра-
распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах
р.шличных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий
и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного рас-
распространения в ограниченных участках среды (см. Нормальные волны). Сущест-
ненную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука А и харак-
характерным для условий его распространения геометрич. размером D — размером
источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей
среды, поперечного сечения волновода и т. п. При D > л распространение зву-
звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрич. акусти-
10 УЛЬТРАЗВУК
ки, т. е. для описания звукового ноля можно пользоваться законами отражения
и преломления. Степень отклонения от геометрич. картины распространения
и необходимость учёта дифракционных явлений определяются параметром
Р = ~\/кч/О, где г — расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающе-
вызывающего дифракцию.
Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определя-
определяется характеристиками упругости н плотностью среды (см. Скорость звука).
В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и
характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости, т. е. к дис-
дисперсии скорости звука. Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны
по мере её распространения в заданном направлении, т. е. затухание звука,
обусловливается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны
с удалением от источника (см. Звуковое поле), рассеянием и поглощением звука,
1. е. переходом звуковой энергии в другие формы, и в первую очередь в тепло-
тепловую. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет
место т. н. классическое поглощение, обусловленное сдвиговой вязкостью (внут-
(внутренним трением) и теплопроводностью среды. Кроме того, почти во всех средах
существует дополнительное (релаксационное) поглощение, обусловленное раз-
различными релаксационными процессами в веществе (см. Релаксация) и часто
существенно превосходящее «классическое» поглощение. Относительная роль
того или иного фактора при затухании звука зависит как от свойств среды, в
к-рой звук распространяется, так и от характеристик самой волны, и в первую
очередь от её частоты.
При значительном возрастании интенсивности звуковых волн в их поле
заметнее проявляются различные нелинейные эффекты' нарушается принцип су-
суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению ком-
комбинационных тонов; изменяется форма волны, спектр её обогащается высшими
гармониками и соответственно растёт поглощение; становятся заметными пос-
постоянные силы (см. Давление звукового излучения) и постоянные потоки вещества
(см. Акустические течения); при достижении нек-рого порогового значения ин-
интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация. Для математич. описания волн
большой интенсивности приближения линейной акустики уже недостаточны,
в ур-ниях звукового поля необходим учёт членов высшего порядка. Критерием
применимости аппарата линейной акустики и возможности пренебрежения не-
нелинейными эффектами является для плоских волн малость акустич. Маха чис-
числа: М С 1, где М = vie, v — колебательная скорость частиц в волне, с —
скорость её распространения.
Специфические особенности ультразвука. Хотя физич. природа УЗ и управ-
управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых
волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфич. особенностей,
к-рые определяют его большое значение как в науке, так и в технике. Эти осо-
особенности обусловлены относительно высокими его частотами и соответственно
малостью длин волн. Так, для высоких УЗ-вых частот длины волн в воздухе
составляют 3,4-10 — 3,4-1(Г5 см, в воде 1,5-10~2 — 1,5-10 см и в стали
5-Ю — 5-10~* см; для самой низкочастотной области УЗ длины волн не пре-
превышают в большинстве случаев нескольких см и лишь вблизи нижней границы
диапазона достигают в твёрдых телах нескольких десятков см.
Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространения
УЗ-вых волн. Даже при относительно небольшой величине характерного размера
D параметр Р для среднего и высокочастотного диапазонов УЗ невелик, из чего
следует, что вблизи излучателя УЗ-вые волны распространяются в виде пучков,
поперечный размер к-рых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая
на крупные препятствия или неоднородности в среде, такой пучок (УЗ-вой луч)
испытывает регулярное отражение и преломление. При попадании УЗ-вого
луча на малые препятствия или дефекты возникает рассеяниая волна, что поз-
позволяет обнаруживать в среде весьма малые неоднородности, порядка десятых
и сотых долей мм. Отражение и рассеяние УЗ на иеоднородностях среды позво-
позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения
предметов, используя звуковые фокусирующие системы (см. Фокусировка звука)
подобно тому, как ото делается с помощью световых лучей. Сам процесс фо-
УЛЬТРАЗВУК II
кусирования У3-вых волн посредством акустич. линз, рефлекторов и с помощью
излучателей вогнутой формы возможен лишь благодаря малости длины волны
в сравнении с размерами этих устройств. Фокусировка УЗ позволяет не только
получать звуковые изображения, напр, в системах звуковидения и акустич.
голографии, но и концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие
значения интенсивности звука, к-рых на поверхности обычных излучателей
ультразвука достичь невозможно. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем
можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и
управлять ими.
Периодич. изменение показателя преломления световых волн, связанное
с изменением плотности в УЗ-вой волне, вызывает дифракцию света на ультра-
ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого — гигагерцевого диапазона.
УЗ-вую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решётку,
период к-рой определяется длиной звуковой волны.
Поскольку УЗ-вые волны характеризуются малыми периодами колебаний
(в диапазоне средних УЗ-вых частот период имеет порядок микросекунд), они
могут излучаться в виде коротких импульсов акустических, к-рые позволяют
осуществлять достаточно тонкую временную селекцию распространяющихся
в среде акустич. сигналов.
УЗ-вые волны затухают значительно быстрее, чем волны более низкочас-
низкочастотного диапазона, т. к. коэфф. «классического» поглощения звука (на еди-
единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты. В низкочастотном облас-
области коэфф. релаксационного поглощения также растёт пропорционально квад-
квадрату частоты, однако при повышении частоты этот рост замедляется и коэфф,
поглощения стремится к постоянной величине. Область, где наблюдается такое
изменение хода коэфф. поглощения, наз. релаксационной, а средняя её часто-
частота — частотой релаксации. Величина, обратная частоте релаксации,— время
релаксации — характеризует процесс перераспределения энергии внутри ве-
вещества. Помимо характерного хода коэфф. поглощения УЗ, в релаксационной
области наблюдается рост скорости звука с частотой — дисперсия, обусловлен-
обусловленная физнч. процессами в веществе и отличающаяся от дисперсии скорости зву-
звука, характерной для любых частот и связанной с геометрия, условиями распро-
распространения волны. Дисперсия УЗ в релаксационных областях обычно не превы-
превышает нескольких процентов. В многоатомных газах релаксация связана с обме-
обменом энергии между поступательными и внутренними степенями свободы, и ха-
характерные частоты лежат в среднем н даже низкочастотном диапазонах. В жид-
жидкостях к основным релаксационным процессам относятся, напр., внутримо-
внутримолекулярные превращения, структурная и химия, релаксации; соответствую-
соответствующие частоты лежат чаще всего в области частот 106—10' Гц. В твёрдых телах
имеются релаксационные процессы различной природы, обусловленные, напр.,
взаимодействием ультразвука с электронами проводимости, со спиновой системой
(см. Спин-фононное взаимодействие), с колебаниями кристаллической решётки.
Влияние этих процессов проявляется в частотной зависимости поглощения
УЗ. Резонансные явления типа акустического парамагнитного резонанса (об-
(область частот 109—II11 Гц) и акустического ядерного магнитного резонанса
(Ю6—108 Гц) дают соответствующие пики поглощения. Резонансный характер
может иметь также и дислокационное поглощение в кристаллах. Все эти особен-
особенности поглощения УЗ в твёрдых телах обусловлены взаимодействием УЗ-вых
ж гиперзвуковых волн с внутренними возбуждениями в твёрдых телах. Воз-
Возникновение же такого взаимодействия связано с тем, что средние и высокие
УЗ-вые частоты становятся сравнимы с характерными частотами процессов
в веществе на молекулярном и атомном уровне, а длины волн сравнимы с пара-
параметрами внутренней структуры вещества. Последнее обстоятельство объясняет
также увеличение рассеяния упругих волн на УЗ-вых частотах, наблюдаемое
в микронеоднородных средах, в полнкристаллич. телах: сечение рассеяния на
неоднородностях возрастает, если их размеры становятся порядка длины
волны. Связь характера распространения УЗ и, в частности, его высокочастот-
высокочастотной области — гиперзвука — со структурой вещества и элементарными возбуж-
возбуждениями в нём является одной из важнейших особенностей УЗ-вых волн. Она
позволяет судить о строении вещества на основании измерений скорости и погло-
12 УЛЬТРАЗВУК
щения УЗ в нём в зависимости от частоты, а также от нек-рых внешних фак-
факторов — теми-ры, давления и др.
Особенностью УЗ в высокочастотном и пшерзвуковом диапазонах является
возможность применения к нему представлений и методов квантовой механики,
поскольку длины волн и частоты в этих диапазонах становятся одного порядка
с параметрами и частотами, характеризующими структуру вещества. Упругой
волне данной частоты при этом сопоставляется квазичастица — фонон, или квант
звуковой энергии. Квантово-механич. представления удобны при рассмотрении
различных взаимодействий в твёрдых телах. Напр., рассеяние и поглощение
звука колебаниями кристаллич. решётки можно рассматривать как взаимодей-
взаимодействие когерентных и тепловых фононов, комбинационное рассеяние света (см.
Мандельштама — Бриллюэна рассеяние) — как взаимодействие фотонов с фо-
нонами, а взаимодействие с электронами проводимости в металлах и полу-
полупроводниках и со спинами и спиновыми волнами в магнитоупорядоченных
кристаллах (см. Магнитоупругие волны) — соответственно как электрон-фо-
нонное, спин-фононное и магнон-фононное взаимодействия.
Ещё одна весьма важная особенность УЗ — возможность получения высоких
значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колеба-
колебательного смещения, т. к. при данной амплитуде интенсивность прямо пропор-
пропорциональна квадрату частоты. (Амплитуда колебательного смещения | на
практике лимитируется прочностью акустич. излучателе]!.) Существенно воз-
возрастает с частотой и роль нелинейных эффектов в звуковом поле, поскольку
при заданном значении Ь, амплитуда колебательной скорости у и, следовательно,
акустич. число Маха М растут с частотой /: для гармонич. волн v — 2л/?.
В УЗ-вом иоле большой интенсивности развиваются значительные акустич.
течения, скорость к-рых, как правило, мала в сравнении с колебательной
скоростью частиц. Течения могут быть обусловлены поглощением звука, могут
возникать в стоячих волнах или в пограничном слое вблизи препятствий разно-
разнообразного вида. Радиационное давление также возрастает с увеличением часто-
частоты, т. к. величина его пропорциональна интенсивности звука; в УЗ-вом диапа-
диапазоне частот оно используется в практике акустич. измерений для определения
интенсивности звука. Пондеромоторные силы как акустич., так и гидродинамич.
происхождения, действующие на находящиеся в звуковом поле тела, приобре-
приобретают в УЗ-вом диапазоне частот заметную величину, поскольку они пропорцио-
пропорциональны либо квадрату колебательной скорости, либо колебательной скорости
в первой степени, как, напр., в случае звукового давления. Для того чтобы
определяющие разнообразные эффекты звукового поля параметры — интенсив-
интенсивность звука, звуковое давление, колебательная скорость, радиационное дав-
давление — достигли заметной величины, с увеличением частоты требуется всё
меньшее значение амплитуды колебательного смещения (см. табл. 1).
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация —
возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных па-
паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание,
слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (мик-
(микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды,
ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разру-
разрушение находящихся в жидкости твёрдых тел (кавитационная эрозия), возникает
перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физич.
и химич. процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать
или ослаблять различные кавитационные эффекты, напр, с ростом частоты УЗ
увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с уве-
увеличением гидростатич. давления в жидкости возрастает роль микроударных
воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового
значения интенсивности, отвечающего началу кавитации, к-рое зависит от
рода жидкости, её газосодержания, темп-ры и пр. Для воды в низкочастотном
УЗ-вом диапазоне при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3—
1 Вт/см2.
Источники и приёмники ультразвука. В природе УЗ встречается как в ка-
качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя,
в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих
УЛЬТРАЗВУК
13
о
«
X
п
>•
в
X
в
X
«
р.
№
О
№
ев
tr
tr
N*
S
I I I
5 in — л
? V
5 о о
О Т Т
СО^-
<я ОО
О - Т
1 |
м ОО
О • •
<л ¦•-".«-.
h Й t
1 1 1
ooo
ттт
о о
• о ¦
V
О,о „
• о о
1Л — -Г-.
О
"^*
-о о
2-2
- •> »
1Л ^* ^*
О-г-О
3
X
о
ю
2
л
а
«
С
•* Т 7
I ОО
о ¦¦-¦¦"-'
2 ? ?
соэт
°2°
я 1 Г
1 О О
•о ч>
1 1
я О О
ScOco
iAJJ
1 1
о о
to л
1 1
о • •
•п
СО
¦а
О О
т- ,-. Н
грозовые разряды, и т. д.), так и сре-
среди звуков животного мира. Нек-рые
животные пользуются УЗ-выми «ол-
нами для обнаружения препятствий,
ориентировки в пространстве (см.
Локация). К ним относятся: летучие
мыши, ведущие ночной образ жиз-
жизни и вынужденные ориентироваться
в темноте; дельфины и нек-рые ииды
китов, т.е. морские животные, обита-
обитающие в среде, где звуковые волны
являются единственным видом рас-
распространяющихся волн; нек-рые ви-
виды птиц, обитающих в тёмных пеще-
пещерах, и грызунов, живущих под зем-
землёй. Способностью к испусканию и
восприятию УЗ-вых волн обладают
нек-рые насекомые (сверчки, цикады,
отдельные виды бабочек). Как пра-
правило, животные пользуются для ло-
локации частотами от десятков до сотен
кГц. Нек-рые млекопитающие, напр,
собаки, кошки, также обладают спо-
способностью восприятия УЗ с частотой
до сотни кГц.
Излучатели ультра-
ультразвука, используемые при изуче-
изучении УЗ-вых волн и при их технич.
применениях, можно подразделить
на две большие группы. К первой
относятся излучатели-генераторы;
колебания в них возбуждаются из-за
наличия препятствий на пути посто-
постоянного потока — струи газа или жид-
жидкости. Вторая группа излучателей —
электроакустические преобразовате-
преобразователи; они преобразуют уже заданные ко-
колебания электрич. напряжения или
тока в механич. колебания к.-л. твёр-
твёрдого тела, к-рое и излучает в окру-
окружающую среду акустич. волны.
В излучателях первого типа (меха-
(механических) преобразование кинетич.
энергии струи в акустическую воз-
возникает в результате периодич. пре-
прерывания струи (см. Сирены), при на-
текании её на препятствия различ-
различного вида (см. Газоструйные излуча-
излучатели, Свистки). В последнем случае
для усиления отдельных частотных
компонент излучения применяют ре-
резонансные элементы конструкции.
Жидкостные механич. излучатели
УЗ часто основываются на возбуж-
возбуждении колебаний твёрдой излучаю-
излучающей системы при натекании на неё
струи (см. Гидродинамический излу-
излучатель). Гидродинамич. излучатели
в жидкости дают относительно дешё-
дешёвую УЗ-вую энергию на частотах до
14 УЛЬТРАЗВУК
30—40 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до не-
нескольких Вт/см2. Механич. излучатели используются в низкочастотном диапазо-
диапазоне УЗ и в диапазоне звуковых частот. Они относительно просты по конструкции
и в эксплуатации, и их изготовление недорого, но они не могут создавать мо-
нохроматич. излучение и тем более излучать звуковые сигналы строго задан-
заданной формы: спектр их сложен и определяется конструкцией излучателя и ре-
режимом работы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амп-
амплитуды, однако при излучении в газовые среды они обладают достаточной эффек-
эффективностью и мощностью излучения; их кпд составляет от нескольких % до 50%,
а интенсивность достигает вблизи излучателя нескольких Вт/см2; общая мощ-
мощность излучения меняется в пределах от нескольких Вт до десятков кВт.
Излучатели второго типа основываются на различных физич. эффектах
электромеханич. преобразования. Как правило, они линейны, т. е. воспроиз-
воспроизводят по форме возбуждающий электрич. сигнал. Большинство излучателей
УЗ предназначено для работы на к.-л. одной частоте, поэтому в устройстве
излучающих преобразователей обычно используются резонансные колебания
механич. системы, что позволяет существенно повысить их эффективность.
Преобразователи без излучающей механич. системы, напр, основанные на
электрич. разряде в жидкости, применяются редко. В низкочастотном УЗ-вом
диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магни-
тострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Элект-
родинамич. излучатели используются на самых низких ультразвуковых часто-
частотах, а также в диапазоне слышимых частот. Наиболее широкое распространение
в низкочастотном диапазоне УЗ получили излучатели магнитострикциоиного
и пьезоэлектрич. типов. Основу магнитострикционных преобразователей сос-
составляет сердечник из магнитострикционного материала (никеля, специальных
сплавов или ферритов) в форме стержня или кольца. Пьезоэлектрич. излу-
излучатели для этого диапазона частот имеют обычно составную стержневую конст-
конструкцию в виде пластины из пьезокерамики или пьезоэлектрич. кристалла, зажа-
зажатой между двумя металлич. блоками. В магнитострикционных и иьезоэлектрич.
преобразователях, рассчитанных на звуковые частоты, используются изгибные
колебания пластин и стержней или радиальные колебания колец. В средне-
частотном диапазоне УЗ применяются почти исключительно пьезоэлектрич.
излучатели в виде пластин из пьезокерамики или кристаллов пьезоэлектриков
(кварца, дигидрофосфата калия, ниобата лития и др.), совершающих продоль-
продольные или сдвиговые резонансные колебания по толщине. Кпд пьезоэлектрич.
и магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твёрдое
тело в низкочастотном и среднечастотном диапазонах составляет 50—90%.
Интенсивность излучения может достигать нескольких Вт/см2 у серийных
пьезоэлектрич. излучателей и нескольких десятков Вт/см2 у магнитострикцион-
магнитострикционных излучателей; она ограничивается прочностью и нелинейными свойствами
материала излучателей. Для увеличения интенсивности и амплитуды колеба-
колебаний используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-вых частот
концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде
пьезоэлектрич. преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся
сферич. или цилиндрич. волну. В фокусе подобных концентраторов достигается
интенсивность 105—10е Вт/см2 на частотах порядка МГц. В низкочастотном диа-
диапазоне используются концентраторы — трансформаторы колебательной скорос-
скорости в виде резонансных стержней переменного сечения, позволяющие получать
амплитуды смещения до 50—80 мкм.
В качестве приёмников ультразвука на низких и средних
частотах чаще всего применяют электроакустич. преобразователи, обычно
пьезоэлектрич. типа. Такие приёмники позволяют воспроизводить форму акус-
тич. сигнала, т. е. временною зависимость звукового давления, колебательной
скорости, смещения. В зависимости от условий применения приёмники делают
либо резонансными, либо широкополосными. При этом желательно, чтобы
они искажали звуковое поле в минимальной степени, т. е. чтобы размеры их
были меньше длины волны. Для получения усреднённых по времени характерис-
характеристик звукового поля пользуются термическими приёмниками звука в виде
покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов, измери-
УЛЬТРАЗВУК 15
телями радиационного давления — радиометрами. Интенсивность и звуковое
давление можно оценивать и онтич. методами, напр. но дифракции рвета на
УЗ. Сведения о распределении в пространстве звукового давления получают
различными методами визуализации звуковых полей и методами акустич. голо-
голографии.
Для излучения и приёма УЗ-вшх волн в высокочастотном и гиперзвуковом
диапазонах частот пользуются преобразователями пьезоэлектрич. типа. Основ-
Основная трудность при создании таких преобразователей — их весьма малая резонан-
резонансная толщина. В качестве материалов для них используют ньезодолупровод-
никовые кристаллы типа сульфида кадмия, окиси цинка (см. Пъезополупровод-
Пъезополупроводниковый преобразователь). Преобразователи получают путём осаждения на
звукоироводе энитаксиальной высокоомной плёнки иьезополупроводника или
же в самом звукоироводе из пьезополунроводникового кристалла создают
обеднённый носителями заряда высокоомныи слон, к-рый играет роль пьезо-
плаетинки, поскольку на нём падает практически всё приложенное к звуко-
проводу возбуждающее электрич напряжение. Согласование таких пьезо-
полупроводниковых преобразователей со средой излучения и с электрич. схе-
схемой позволяет делать их весьма широкополосными. В диапазоне 1—10 ГГц
используют также магнитострикционные плёночные преобразователи из нике-
никеля, пермаллоя или других сплавов. Помимо резонансных преобразователей,
для излучения гиперзвука применяют т. н. возбуждение с поверхности пьезо-
пьезоэлектрич. и магнитострикциопных кристаллов. С этой целью кристалл помеща-
помещают в СВЧ электромагнитный резонатор. Скачок диэлектрич. (магнитной) про-
проницаемости вызывает появление на границе кристалла поверхностных зарядов
(намагниченности). Плотность их меняется с частотой поля, и в силу пьезо-
эффекта (магнитострикционного эффекта) возникает переменная деформация,
распространяющаяся в виде упругой волны.
Для получения острой направленности при излучении и приёме УЗ или во-
вообще для формирования нек-рой заданной характеристики направленности ис-
используют излучающие и приёмные антенны (см. Гидроакустические антенны),
к-рые в простейшем случае представляют собой системы излучателей и приём-
приёмников, определённым образом размещённых в пространстве с заданным рас-
распределением амплитуды и фазы колебаний в режиме излучения и с заданным
распределением амплитудного и фазового преобразования выходных электрич.
сигналов в режиме приёма.
Применение ультразвука. Многообразные применения УЗ, при к-рых ис-
используются различные его особенности, можно условно разбить на три на-
направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-вых
волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой
и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их историч. станов-
становления). При каждом конкретном применении используется УЗ определённого
частотного диапазона (см. табл. 2).
Получение информации с помощью ультразвуковых
методов. УЗ-вые методы широко используются в научных исследованиях
для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них
процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны гл. обр. на зависи-
зависимости скорости распространения и затухания акустич. волн от свойств веществ
и от процессов, в них происходящих. Они применяются в молекулярной акустике,
теоретич. основу к-рой составляет релаксационная теория. На основе данных
о дисперсии звука и об особенностях его поглощения в областях, лежащих
вблизи релаксационных частот, получают сведения о различных молекулярных
процессах в газах, жидкостях, полимерах, а также о процессах взаимодействия
УЗ с элементарными возбуждениями в твёрдых телах. Методы молекулярной
акустики позволяют выяснить особенности молекулярной структуры вещества,
определить энергию взаимодействия молекул, проверить предположения о тех
или иных структурных моделях. В молекулярной акустике при исследованиях
газов используют частоты —104—105 Гц, а в жидкостях и твёрдых телах ~10^
—108 Гц и выше.
Изучение распространения УЗ в кристаллах даёт информацию об особен-
особенностях строения кристаллич. решётки, при этом необходимо экспериментально
16
УЛЬТРАЗВУК
фиксировать не только скорость и поглощение звука, но н изменение поляри-
поляризации волны. Затухание УЗ в кристаллах обусловлено рядом причин: рассея-
рассеянием его на микродефектах, дислокационным поглощением, взаимодействием
с тепловыми колебаниями решётки; в ферромагнетиках н сегнетоэлектриках —
движением доменных стенок; в металлах и полупроводниках — взаимодействием
с электронами проводимости; в парамагнитных кристаллах — возникнове-
возникновением акустич. парамагнитного резонанса (АПР) и т. д. При УЗ-вых иссле-
исследованиях в кристаллах применяются частоты от 106—107 Гц (при изучении
дислокационного поглощения) до 108—10й Гц (при изучении АПР). УЗ-вые
Та б л, 2 Частотные диапазоны различных применений ультразвука
Частота в герцах
Применения Ю3 Ш* Ш5 Ш6 Ю7
УЛЬТРАЗВУК 17
исследования позволяют получить информацию обо всех явлениях, ответствен-
ответственных за затухание УЗ в кристаллах, и в частности о размерах неоднородностей
и кристаллитов, вызывающих рассеяние и поглощение волн, о кинетике и дина-
динамике дислокаций и об особенностях дислокационной структуры, о динамике
доменных границ, о характеризующих электроны проводимости поверхностях
Ферми в металлах и т. д. Исследование модулей упругости твёрдых тел и их
зависимости от механич. напряжений (т. е. измерение т. н. модулей упругости
3-го порядка) даёт сведения о процессах теплопроводности и о теплоёмкости
твёрдых тел. УЗ-вые исследования микронеоднородных гетерогенных сред
позволяют получить сведения о характерных размерах неоднородностей.
УЗ-вые методы, основанные на измерениях скорости и затухания звука,
широко используются в технике для определения свойств и состава веществ
и для контроля технологич. процессов (см. Контрольно-измерительные приме-
применения ультразвука). По скорости звука определяют упругие и прочностные ха-
характеристики металлич. материалов, керамики, бетона, степень чистоты ма-
материалов, наличие примесей. Измерения скорости и поглощения в жидкостях
позволяют определить концентрацию растворов, следить за протеканием химич.
реакций и других процессов, за ходом полимеризации. В газах измерения ско-
скорости звука дают информацию о составе газовых смесей. При УЗ-вых измере-
измерениях в твёрдых телах используют частоты 104—108 Гц, в жидкостях — до 107 Гц,
в газах — не выше 105 Гц; выбор частотных диапазонов соответствует поглоще-
поглощению УЗ в этих средах. Точность определения состава веществ, концентрации
примесей УЗ-выми методами высока и составляет доли процента. По изменению
скорости звука или по Доплера эффекту в движущихся жидкостях и газах оп-
определяют скорость их течения (см. Расходомер). Для исследования свойств
веществ используют также методы, основанные на зависимости параметров ре-
резонансной УЗ-вой колебательной системы от акустич. сопротивления нагрузки,
т. е. от свойств нагружающей её среды. Это т. н. импедансные методы, к-рые
применяются в УЗ-вых сигнализаторах уровня, вискозиметрах, твердомерах
и т. д. Во всех перечисленных методах измерений и контроля свойств веществ
применяются весьма малые интенсивности УЗ; эти методы требуют малого вре-
времени для измерений, легко поддаются автоматизации, позволяем1 производить
дистанционные измерения в агрессивных и взрывоопасных средах и осуществ-
осуществлять непрерывный контроль веществ в труднодоступных местах.
Большая группа УЗ-вых методов, применяемых для получения информации,
основывается на отражении и рассеянии УЗ-вых волн на границах между раз-
различными средами. Эти методы позволяют осуществлять УЗ-вую локацию ино-
инородных тел или границ раздела сред. Методы обнаружения объектов посредст-
посредством УЗ-вых волн применяются в таких различных областях, как гидролокация,
неразрушающий контроль изделий и материалов, медицинская диагностика.
Их можно разделить на пассивные — определение местоположения объекта и
его характеристик путём анализа излучаемого им звука — и активные, осно-
основанные на анализе отражённого от объекта специально посылаемого сигнала
(т. н. эхо-методы). В эхо-методах чаще всего используют импульсные УЗ-вые
сигналы, и по времени запаздывания отражённого сигнала определяют рас-
расстояние до объекта; при этом чем короче импульс, тем больше разрешающая
способность метода по расстоянию. Определение направления на объект обес-
обеспечивается направленностью излучающей и приёмной системы, к-рая при
прочих равных условиях тем острее, чем меньше длина волны звука. При вы-
выборе несущей частоты в импульсной эхо-локации приходится учитывать такие
противоречивые факторы, как увеличение разрешающей способности метода по
направлению и расстоянию с ростом частоты и уменьшение при этих условиях
дальности обнаружения вследствие возрастания поглощения и рассеяния.
Применение акустич. локации в гидроакустике имеет исключительное зна-
значение, поскольку звуковые волны являются единственным видом волн, рас-
распространяющихся на большие расстояния в естественной водной среде. Гидро-
Гидролокационные приборы — эхолоты, гидролокаторы — применяются для целей
навигации, в рыбном промысле, в военно-морском деле, в океанологич. иссле-
исследованиях. В гидролокации для рыбопоисковой аппаратуры, навигационных
приборов, обнаруживающих мелкие объектыг используются УЗ-вые частоты
18 УЛЬТРАЗВУК
от 20 до 100 кГц; для дальней гидролокации применяются более низкие частоты
слышимого диапазона, к-рые в меньшей степени поглощаются и рассеиваются
в морской среде.
В технике УЗ-вая активная локация используется для измерения и контроля
уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях (уровнемеры), для опре-
определения размеров изделий (толщиномеры); в последнем случае наряду с им-
импульсными применяются и резонансные методы. Рабочие частоты составляют
при этом десятки, иногда сотни кГц, выбор частоты определяется условиями
измерений и требуемой точностью.
Огромное значение имеет применение -УЗ-вых волн для обнаружения скры-
скрытых дефектов в материалах и изделиях — УЗ-вая дефектоскопия, к-рая широко
используется в промышленности. Разработаны и выпускаются специальные
приборы — дефектоскопы различного назначения и с различными технич. ха-
характеристиками. Среди методов УЗ-вой дефектоскопии наибольшее распростра-
распространение имеют импульсный эхо-метод, основанный на анализе отражённых от
дефектов сигналов, и теневой, в к-ром исследуется структура звуковой тени
за дефектом. В эхо-дефектоскопии используется УЗ частотой 105—107 Гц, а раз-
размер обнаруживаемых дефектов составляет доли мм. Для целей дефектоскопии
применяется также метод пассивной локации, получивший название метода
акустич. эмиссии. Он основан на приёме звуков, излучаемых твёрдым телом
при приложении к нему механич. напряжения. Анализируя сигналы акустич.
эмиссии, можно обнаружить, напр., образование и развитие трещин и других
дефектов в деталях и конструкциях.
Методы, аналогичные применяемым в УЗ-вой дефектоскопии, используются
и в медицинской диагностике. УЗ-вые волны отражаются от границ биологич.
тканей, даже незначительно различающихся по акустич. параметрам, поэтому
УЗ-вая диагностика обладает высокой чувствительностью, позволяет получать
информацию о мягких тканях, выявлять образования, не обнаруживаемые
с помощью рентгеновских лучей. В диагностике, основанной на эхо-методе,
используются частоты —107 Гц; интенсивность УЗ при этом не превышает
0,5 мВт/см2, что считается вполне безопасным для организма.
Особое место в применении УЗ для информационных целей занимают методы
звуковидения. С помощью излучателя УЗ и фокусирующих систем создаётся
УЗ-вое изображение предмета, находящегося в непрозрачной для света среде,
к-рое затем превращается в видимое (см. Звукоеизор). Для акустооптич. преоб-
преобразования используются различные способы визуализации звуковых полей.
Простейшим из них является способ сканирования звукового поля пьезоэлект-
рич. приёмником с последующим электронно-оптич. преобразованием. При-
Применяется также взаимодействие световых лучей с УЗ и, в частности, дифракция
света на УЗ. В новейших способах звуковидения и визуализации звуковых полей
используются методы акустич. голографии. Кроме того, для визуализации
используются различные вторичные эффекты в звуковом поле типа воздействия
на протекание химич. реакций.
Визуализация звуковых полей применяется в наиболее совершенных устрой-
устройствах УЗ-вой диагностики и дефектоскопии.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воз-
воздействие УЗ на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или
воздействие УЗ на физич. процессы, влияющее на их ход, обусловлено в боль-
большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие
широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помо-
помощью УЗ-вой технологии задачи, а также и сам механизм УЗ-вого воздействия
различны для разных сред.
В газах основным действующим фактором являются акустич. течения, вы-
вызывающие интенсивное перемешивание среды и ускоряющие процессы тепло-
тепломассообмена в ультразвуковом поле в несколько раз. При этом действие акустич.
потоков оказывается значительно более эффективным, чем действие обычных,
гидродинамич., поскольку пограничный слой их имеет меньшую толщину. Уско-
Ускорение тепломассообмена под действием УЗ используется в процессе УЗ-вой сушки,
в ряде химико-технологич. процессов, протекающих в газовой среде. Оно играет
существенную роль при горении в ультразвуковом поле. УЗ-вая сушка, помимо
УЛЬТРАЗВУК 19
ускорения процесса, позволяет обойтись без существенного повышения темп-ры;
по этой причине она применяется для обработки мелкодисперсных термочувст-
термочувствительных веществ, напр, в фармакологии. Горение в УЗ-вом поле позволяет
при определённых условиях увеличить теплоотдачу факела, ускорить процесс
горения и стабилизировать его. При акустич. коагуляции аэрозолей, помимо
акустич. течений, существенную роль играют пондеромоторные силы в акустич.
поле и радиационное давление. Она применяется на практике для осаждения
промышленных пылей, дымов и туманов. При воздействии на процессы в газовой
среде применяются самые низкие УЗ-вые частоты и частоты звукового диапазо-
диапазона вплоть до 8—10 кГц, что вызвано сильным поглощением звука в газах.
Интенсивности звука при этом относительно велики: пороговые интенсивности
для большинства процессов составляют 0,01—0,1 Вт/см2, что соответствует
уровню звукового давления 130—150 дБ.
В жидкостях основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы
играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распрост-
распространение УЗ-вой технологич. процесс — очистка поверхностей твёрдых тел.
В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут
иметь различные проявления кавитации — микроударные воздействия, микро-
микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химич.
свойства моющей жидкости, её газосодержание, внешние факторы (давление,
темп-ру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизи-
оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разно-
Разновидностью очистки является травление в УЗ-вом поле, где действие УЗ сов-
совмещается с действием сильных химич. реагентов. УЗ-вая металлизация и пайка
основывается фактически на УЗ-вой очистке (в т. ч. и от окисной плёнки) со-
соединяемых или металлизируемых поверхностей; очистка обусловлена кавита-
кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что обра-
образуются соединения неепаиваемых в обычных условиях материалов, напр, алю-
алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пласт-
пластмассами. В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет
зеукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора
или расплава в мельчайшие трещины и поры и сам обусловленный кавитацией.
Этот эффект применяется для пропитки пористых материалов, он оказывает
влияние на все процессы УЗ-вой обработки твёрдых тел в жидкостях. УЗ-вое
диспергирование твёрдых тел происходит под действием микроударных волн,
возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков, и заметно интен-
интенсифицируется при наличии статич. давления. Этим способом можно получать
мелкодисперсные материалы, необходимые для лабораторных анализов мине-
минералов и применяемые в фармацевтич., химич., лакокрасочной и др. отраслях
промышленности, а также играющие большую роль в порошковой металлургии.
Размер получаемых при УЗ-вом диспергировании частиц может составлять доли
мкм. Аналогичным процессом для жидкости является процесс эмульгирования,
также обусловленный кавитацией и обеспечивающий получение стойких одно-
однородных мелкодисперсных эмульсий (минимальный размер капель достигает
0,1 мкм).
Дегазация жидкости, протекающая в УЗ-вом поле и при малых интенсивнос-
тях звука, существенно усиливается с появлением кавитации: под влиянием
направленной диффузии начинается интенсивный рост пузырьков и вынесение
их акустич. течениями. При дегазации существенную роль играют и пондеро-
пондеромоторные силы УЗ-вого поля, вызывающие укрупнение пузырей за счёт их
слияния и подталкивающие их при движении. Особую роль играет УЗ-вая
дегазация расплавов металлов: она способствует их рафинированию и получе-
получению бездефектных отливок (см. Ультразвук в металлургии).
Одним из УЗ-вых методов, используемых в металлургии, является кристал-
кристаллизация под действием УЗ, При наличии кавитации изменяются условия зарож-
зарождения и роста кристаллов; существенную роль в этом случае играют кавита-
ционные микропотоки и акустич, течения, дегазация расплава, улучшенное
смачивание твёрдых примесей, наконец, дополнительное нагревание из-за
поглощения звуковой энергии. В таких условиях получаются металлич. отлив-
отливки с измельчённой структурой, повышенной плотностью и чистотой.
20 УЛЬТРАЗВУК
Для интенсификации нек-рых технологич. процессов, осуществляемых
в жидкости, используются воздействие ультразвука на электрохимические
процессы и химическое действие ультразвука. Интенсификация электрохимии, про-
процессов в УЗ-вом поле обусловлена связанными с кавитацией явлениями: пере-
перемешиванием электролита с выравниванием концентрации ионов, дегазацией
электролита, увеличением активной поверхности катода благодаря очистке;
одновременно имеет место улучшение качества покрытия (мелкозернистость),
а в ряде случаев возможно электроосаждение металлов, неосуществляемое в от-
отсутствии УЗ. Инициирование химич. реакций в жидкостях в подавляющем боль-
большинстве случаев также связано с кавитацией, под воздействием к-рой происходит
расщепление молекул (в основном воды) на радикалы, ионизация и т. п. Су-
Существенным оказывается и воздействие УЗ на макромолекулы, приводящее
к деструкции молекул полимеров. Ряд химич. технологич. процессов интенси-
интенсифицируется под действием различных УЗ-вых эффектов в жидкостях: эмуль-
эмульгирования, диспергирования, дегазации, локального нагревания. Такая связь
различных проявлений воздействия УЗ характерна для большинства УЗ-вых
технологич. процессов.
Несколько особняком стоит процесс УЗ-вого распыления жидкостей. Меха-
Механизм получения аэрозолей связан с образованием капиллярных волн в колеб-
колеблющемся с УЗ-вой частотой слое жидкости или в УЗ-вом фонтане, возникаю-
возникающем при попадании на поверхность жидкости мощного УЗ-вого излучения из
глубины. Таким способом получаются стойкие мелкодисперсные аэрозоли
с размером капель в несколько мкм.
Поскольку большинство УЗ-вых жидкостных технологич. процессов свя-
связано с кавитацией, для них используются обычно низкие УЗ-вые частоты, на
к-рых порог кавитации относительно невысок A8—44 кГц); в жидких металлах
применяются наиболее низкие частоты этого интервала A8—22 кГц). Интенсив-
Интенсивности УЗ составляют в водных растворах и других подобных жидкостях от
0,5 до 10 Вт/см2, причём значение интенсивности выбирают для каждого кон-
конкретного процесса, исходя из его особенностей, напр.: очистка хрупких деталей
от лёгких загрязнений, воздействие на электрохимич. процессы проводятся при
небольших интенсивностях (до 2—3 Вт/см2), чтобы не повредить наносимые
покрытия или сами детали; очистка от сильно связанных загрязнений типа
окалины, эмульгирование, диспергирование требуют больших интенсивностей.
Ещё более высокие интенсивности, превосходящие 10 Вт/см2, требуются иногда
для воздействия на жидкие металлы. Распыление жидкости в слое проводится
на частотах — десятков кГц, в фонтане — на частотах мегагерцевого диапазона.
Большинство УЗ-вых технологич. жидкостных процессов осуществляется
в т. н. УЗ-вых ваннах, заполняемых обрабатываемой жидкостью. УЗ излу-
излучается погружаемым в жидкость преобразователем или диафрагмой, к-рая
служит дном ванны и возбуждается присоединёнными к ней с противоположной
стороны преобразователями. В ряде процессов используются гидродинамич.
излучатели.
Технологич. процессы обработки твёрдых тел с применением УЗ основыва-
основываются на следующих эффектах: уменьшение трения между движущимися друг
относительно друга поверхностями при УЗ-вых колебаниях одной из них (см.
Трение под действием УЗ), снижение предела текучести, увеличение пластич-
пластичности материала (см. Пластическая деформация), упрочняющее или разрушаю-
разрушающее ударное воздействие УЗ-вого инструмента. УЗ оказывает влияние на силу
трения и на процесс пластич. деформирования как при параллельной, так и при
нормальной ориентации колебательных смещений относительно граничной
поверхности. Влияние УЗ на пластич. деформацию связано, с одной стороны,
с увеличением числа дислокаций под действием знакопеременных нагружений
(упрочнение материала), с другой — с увеличением их подвижности (разупро-
(разупрочнение). Эффекты снижения трения и увеличения пластичности используются
при обработке металлов давлением (волочение труб, прутков, проволоки, про-
прокатка и т. п.), а также в процессах резания металлов с наложением УЗ-вых ко-
колебаний на инструмент (см. Механическая обработка). При использовании УЗ
статич. усилия в таких процессах снижаются на 25-^30%, а производитель-
производительность увеличивается.
УЛЬТРАЗВУК 21
Ударное воздействие колеблющегося с УЗ-вой частотой наконечника инст-
инструмента на пластичные материалы (металлы) вызывает упрочнение их поверх-
поверхностного слоя, сглаживание неровностей поверхности, уменьшение и пере-
перераспределение остаточных напряжений (и, в частности, уменьшение их концент-
концентрации — см. Поверхностная обработка металлов). Ударное воздействие на
хрупкие и твёрдые материалы, производимое с применением абразивной суспен-
суспензии, является основным действующим фактором при УЗ-вой размерной обра-
обработке стекла, керамики, полупроводников и т. п. материалов, а также твёрдых
сплавов. Этот вид обработки получил наиболее широкое распространение; его
производительность зависит от амплитуды и частоты колебаний и от силы при-
прижима инструмента. Все эти виды механич. обработки выполняются на относитель-
относительно низких частотах, от 18 до 44 кГц; амплитуда колебаний при размерной обра-
обработке хрупких материалов составляет 10—60 мкм, при поверхностной обработке
и'обработке давлением она — 10 мкм, а при наложении колебаний на инструмент
~ 3—5 мкм.
УЗ-вая сварка основывается на использовании эффектов комбинированного
воздействия УЗ-вых и статич. напряжений на твёрдые тела. При сварке метал-
лич. деталей их сжимают постоянной силой, а УЗ-вые колебания ориентируют
перпендикулярно этой силе, т. е. в граничной плоскости. Темп-pa при УЗ-вой
сварке существенно ниже, чем при обычной, поэтому она представляет особый
интерес для соединения проводов толщиной ~ нескольких мкм с массивными
подложками, для сварки фолы, плёнок. УЗ-вая сварка металлов находит при-
применение в микроэлектронике, приборостроении и т. п. При сварке полимеров
и постоянная сила и колебания направлены перпендикулярно поверхности
соприкосновения деталей. Преимуществами в этом случае являются локали-
локализация нагрева в зоне соединения и более низкая, чем при тепловой сварке,
темп-pa, а также возможность соединения загрязнённых поверхностей и сварка
в труднодоступных местах. Свариваются детали из различных пластмасс, поли-
полимерные плёнки толщиной от 10 мкм до нескольких мм, синтетич. ткани и т. п.
Рабочие частоты при сварке полимеров лежат в интервале 18—44 кГц, метал-
металлов — 18—75 кГц. Определяющими параметрами при УЗ-вой сварке служат
амплитуда колебаний (от единиц до нескольких десятков мкм), сила прижима
и время воздействия УЗ (от 0,1 до нескольких с).
В большинстве способов обработки твёрдых тел УЗ используются т. н.
УЗ-вые инструменты, основу к-рых составляет резонансная стержневая колеба-
колебательная система, обычно двух- или трёхполуволновой длины. В неё входит ре-
резонансный стержневой преобразователь магнитострикционного или пьезоке-
рамич. типа, резонансный стержневой концентратор, одно- или двухступен-
двухступенчатый, и рабочий наконечник (к-рым может быть специально заточенный конец
самого концентратора).
Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине
основывается на эффектах, возникающих в биологич. тканях при прохождении
через них УЗ-вых волн (см. Действие ультразвука на биологические объекты).
Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей,
поглощение УЗ — локальное нагревание их; одновременно под действием УЗ
происходят и физико-химич. превращения в биологич. средах. При умеренной
интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений,
а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятель-
жизнедеятельности организма. Они находят применение в УЗ-вой терапии. В терапевтич.
УЗ-вой аппаратуре используются частоты от сотен кГц до нескольких МГц,
интенсивности — до 1 Вт/см2. При больших интенсивностях сильное нагревание
и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение
в УЗ-вой хирургии. Для хирургич. операций целесообразно использовать фо-
фокусированный УЗ, к-рый позволяет производить локальные разрушения в глу-
глубинных структурах, напр, мозга, без повреждения окружающих тканей. Час-
Частоты, применяемые в хирургич. фокусирующей аппаратуре, составляют от 0,5
до 5 МГц, интенсивности достигают сотен и даже тысяч Вт/см2. В хирургии
применяются также УЗ-вые инструменты, рабочий конец к-рых имеет вид скаль-
скальпеля, пилки, иглы и т. п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные для
хирургич. практики, инструменты придаёт им новые качества, существенно
22 УЛЬТРАЗВУК
снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того,
проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воз-
воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения нек-рых
новообразований, а также для воздействия на полимеризующееся вещество,
применяемое при соединении костей. УЗ-вые хирургич. инструменты работают
на частотах 20—50 кГц с амплитудой колебаний рабочего конца 10—50 мкм.
Воздействие мощного УЗ на биологич. ткани применяется для разрушения
микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и ле-
лекарственных веществ, для получения фармакологич. препаратов, для решения
разнообразных задач в биологич. и медицинской лабораторной технике. Дейст-
Действующим фактором при этом является кавитация, а применяемые частоты со-
составляют 20—40 кГц.
Обработка и передача сигналов. УЗ-вые устройства приме-
применяются для преобразования и аналоговой обработки электрич. сигналов в раз-
различных отраслях радиоэлектроники, напр, в радиолокации, связи, вычислитель-
вычислительной технике (см. Акустоэлектроника), и для управления световыми сигналами
в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрич. сигнала-
сигналами используются следующие особенности УЗ: малая по сравнению с электро-
электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристал-
кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов; способность взаимодей-
взаимодействовать с квазичастицами в твёрдых телах (см. Взаимодействие ультразвука
с электронами проводимости, Нелинейные взаимодействия). В акустоэлектрони-
ке применяются как объёмные, так и поверхностные волны высокочастотного
УЗ-вого и гиперзвукового диапазонов (от 107 до 1010 Гц).Преимуществами поверх-
поверхностных волн, обеспечившими им господствующее положение в акустоэлектро-
нике, являются малые потери на электроакустич. преобразование, возможность
управления сигналом и его съёма в любой точке звукопровода, компактность
устройств на поверхностных волнах и относительная простота их конструк-
конструкции. Малая скорость УЗ используется в УЗ-вых линиях задержки, осуществляю-
осуществляющих временное преобразование сигналов. Время задержки достигает нескольких
мс на частотах в десятки МГц и 0,1 мс на гиперзвуковых частотах. Существуют
линии задержки с переменным временем задержки, в к-рых используются,
в частности, магнитоупругие волны, скорость распространения к-рых может
регулироваться постоянным магнитным нолем; дисперсионные линии с зави-
зависящим от частоты временем задержки; волноводные линии, в к-рых распростра-
распространяются лишь определённые нормальные волны. Для выделения или подавления
сигналов в заданной полосе частот применяются акустич. фильтры, в к-рых
используется высокая добротность колебаний пьезоэлектрич. кристаллич. ре-
резонаторов или ферритовых магнитострикционных резонаторов. Фильтры и
линии задержки относятся к линейным пассивным устройствам. Активными
линейными устройствами являются усилители УЗ (см. Усиление ультразвука),
основанные на преобразовании энергии дрейфа носителей заряда в полупро-
полупроводниках в энергию акустич. волны. Усиление имеет место при условии,
что скорость дрейфа превосходит скорость распространения волны. Передача
энергии осуществляется посредством пьезоэффекта или эффекта деформацион-
деформационного потенциала. На основе различных нелинейных взаимодействий работа-
работают нелинейные устройства акустоэлектроники, осуществляющие управление
фазой и частотой сигналов и производящие операции перемножения сигналов,
детектирования, модуляции, а также осуществляющие более сложные преоб-
преобразования, в частности получение функций свёртки и корреляции.
В устройствах акустоэлектроники для излучения и приёма УЗ-вых и гипер-
гиперзвуковых сигналов применяют пьезодиэлектрич., пьезополупроводниковые,
магнитострикционные плёночные преобразователи объёмных и поверхностных
волн, используя высокодобротные материалы типа ниобата лития, германата
висмута, иттриевого феррита-граната. Для звукопроводов применяют материа-
материалы с малыми потерями: кварц, специальные виды стекла и сплавов.
Управление оптич. сигналами посредством УЗ основывается в подавляю-
подавляющем большинстве случаев на явлении дифракции света на УЗ (см. Акустоопти-
ка). В акустич. устройствах, осуществляющих такое управление, рабочим те-
телом может служить как твёрдый образец, так и жидкость. Зависимость угла
УЛЬТРАЗВУК 23
отклонения света от длины волны звука позволяет управлять направлением
светового луча, что используется в УЗ-вых дефлекторах, сканерах. Связь меж-
между интенсивностью дифрагированного света и интенсивностью звука исполь-
используется для управления интенсивностью световых пучков, для модуляции света.
Поскольку один из видов дифракции света на УЗ — т. н. брегговская дифрак-
дифракция — зависит от его длины волны, акустооптич. устройства позволяют выде-
выделять из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал,
т. е. осуществлять фильтрацию. Акустооптич. дефлекторы, сканеры, модуляторы,
фильтры и др. используются для обработки в реальном масштабе времени ин-
информации, содержащейся в СВЧ радиосигналах, посредством т. н. процессоров:
СВЧ сигнал преобразуется в УЗ-вой, и в результате акустооптич. взаимодейст-
взаимодействия осуществляется считывание всей запасённой в звуковом сигнале информа-
информации. В низкочастотных процессорах используется частотный диапазон УЗ от
105 до 108 Гц, в высокочастотных — частоты выше 108 Гц, вплоть до 1010 Гц.
Интенсивность звука в таких устройствах не превышает нескольких Вт/см2.
Материалы, применяемые в акустооптич. устройствах, должны обладать оптич.
прозрачностью, слабым поглощением звука и большим значением упругооптич.
постоянной вещества, характеризующей зависимость показателя преломления
света от деформации среды. Акустооптич. преобразование широко используется
также в научных исследованиях веществ.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем.,
М., 1956; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе,
воде и твёрдых телах, 3 изд., М., 1960; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер.
с англ., т. 1—7, М., 1966—74; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Ро-
зенберга, т. 1—3, 1967—70; Михайлов И. Г., Соловьёв В. А., Сырников
Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Викторов И. А., Физические
основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966; Методы
неразрушающих испытаний, под ред. Р. Шарпа, пер. с англ., М., 1972; Матаушек И.,
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; А г р а н а т Б. А. и д р., Ультразву-
Ультразвуковая технология, М\, 1974; Эльпинер И. Е., Биофизика ультразвука, М., 1973;
Байер В., Дернер Э., Ультразвук в биологии и медицине, пер. с нем., Л., 1958;
Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of a workshop..., ed. by J. M.
Reid and M. R. Sikov, Wash., 1972.
И. П. Голямина,
A
АКУСТИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ —
единицы для выражения и измере-
измерения величин в акустике. Эти же еди-
единицы применяются для измерения
характеристик УЗ. Поскольку звук
и УЗ представляют собой процессы ме-
ханич. колебаний и волн в упругих
средах, многие акустич. величины
измеряются в соответствующих ме-
ханич. единицах: период и частота
колебаний, длина звуковой волны,
скорость её распространения и т. п.
Другие А. е. хотя и аналогичны
механическим, но отличаются той
особенностью, что измеряют только
избыточную, акустич. часть величи-
величины (напр., давления), накладываю-
накладывающуюся на её среднее значение при
наличии звуковой волны. Согласно
ГОСТ рекомендуется употреблять
единицы системы СИ; употребление
единиц системы СГС допускается.
Главная А. е.-— единица звукового
давления — в системе СИ имеет наиме-
наименование паскаль (ранее она наз. нью-
ньютон на квадратный метр). Имевшая
широкое распространение единица
бар не рекомендуется, т. к. такое
наименование имеет единица статич.
давления, размер к-рой в 10а раз
больше, чем акустич. бара. В систе-
системе СГС звуковое давление измеряется
в динах на квадратный сантиметр.
Многие А. е. наз. по своей размер-
размерности. Соотношения между едини-
единицами систем СИ и СГС представлены
в таблице.
Единицы акустического и механи-
механического сопротивления в системе СГС
иногда наз. соответственно акусти-
акустический и механический ом по внешней
, аналогии с электротехникой.
Кроме единиц систем СИ и СГС,
в акустике употребляются ещё вне-
внесистемные единицы ¦— децибел, фон и
октава. В единицах децибел (дБ)
измеряется уровень звукового давле-
давления относительно условно нулевого
порога 2-10~5 Па, к-рому соответствует
интенсивность звука в воздухе около
10~12 Вт/м2. Этот уровень в акустике
примерно соответствует порогу слы-
слышимости. Фон принят для выражения
уровня громкости, под к-рым пони-
понимается уровень звукового давления
стандартного чистого тона частоты
1000 Гц, признанного равным по гром-
громкости данному звуку любой частоты
и тембра или шуму. Международными
рекомендациями ИСО установлено
соотношение между единицами уровня
громкости и громкости (единица гром-
громкости получила название сон); однако
способы определения громкости для
сложных звуков и шумов не установ-
установлены окончательно, поэтому единица
сон не включена в ГОСТ.
Для выражения величин акустич.
шума, шумпости, неприятности шума
предложен ряд специфич. единиц,
к-рые к УЗ практически не относятся,
Наименование
величины
Сокра-
Сокращённое
обозна-
обозначение
Соотношение
единиц СГС и
СИ
Звуковое давление
Объёмная скорость
Акустическое сопро-
сопротивление . ... ... . .
Механическое со-
сопротивление . . .
Интенсивность зву-
звука ...
Плотность звуковой
энергии .......
Звуковая энергия
Звуковая (акустиче-
(акустическая) мощность
Поток звуковой
энергии .....
Па
М3/С
Па-с/м3
Н-с/м
Вт/м2
Дж/м3
Дж
Вт
1 дин/см! =
= 10-!na
1 СМ3/С=
= 10-«м3/с
\ дин-с/см5=
= 106Па-с/м'
1 дин-с/см=
= 10 Н-с/м
1 эрг/с ¦см2=
103 В/2
1 эрг/см3=
= 10-' Дж/м»
1 эрг=
= 10"' Дж
1 эрг/с=
= 10"' Вт
АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ
Единица октава выражает частот-
частотный интервал по логарифму отноше-
отношения частот при основании 2.
Чувствительность УЗ-вых электро-
акустич. приёмников выражается в
вольтах на паскаль (до недавнего
времени широко применялась еди-
единица микровольт на бар). Иногда
употребляют и другие комбинации
электрич. и акустич. единиц для
выражения подобных чувствитель-
НОСТеЙ. И. Г. Русаков.
АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ
(акустический, или звуко-
звуковой, ветер) — регулярные тече-
течения среды, возникающие в интенсив-
интенсивном звуковом поле. А. т. возникают
как в свободном неоднородном зву-
звуковом поле, так и вблизи различного
рода препятствий. А. т. всегда имеют
вихревой характер, их скорость воз-
возрастает с увеличением интенсивности
звука, но обычно не превосходит ве-
величины колебательной скорости час-
частиц в звуковой волне. Одно из пер-
первых описаний А. т. дано Рэлеем,
заметившим, что если перед резона-
резонатором Гельмгольца поместить зву-
звучащий камертон, то у противополож-
противоположного конца резонатора можно обнару-
обнаружить ветер значительной силы, спо-
способный задуть пламя свечи.
Причина возникновения А. т. обус-
обусловлена законом сохранения коли-
количества движения и обычно заключает-
заключается в том, что переносимое звуковой
волной количество движения, свя-
связанное с колебаниями частиц среды,
при поглощении волны передаётся
среде, вызывая её регулярное движе-
движение. Поэтому скорость А. т. пропор-
пропорциональна коэфф. поглощения звука
и его интенсивности.
В зависимости от соотношения ха-
характерного масштаба течения I и дли-
длины звуковой волны X = 2я/А, где
к — волновое число, различают 3 ти-
типа А. т.: 1) течения в свободном не-
неоднородном поле, где I определяется
размером неоднородности, напр, ра-
радиусом звукового пучка г (рис. 1);
при этом kl > 1; 2) течения в стоячих
волнах, масштаб к-рых определяется
длиной волны, a kl ~ 1; 3) течения
в пограничном слое вблизи препят-
препятствий, помещённых в акустич. поле;
в этом случае I определяется толщи-
толщиной акустич. пограничного слоя
б = "|/v/w (v — кинематич. вязкость,
25
частота звука), а
со — круговая
Ы « 1.
Скорость А. т. и обычно мала по
сравнению с амплитудой колебатель-
колебательной скорости v частиц в звуковой
волне, но в отдельных случаях может
быть сравнима с ней; отношение ulv
характеризуется величиной ~ Makl,
где Ма = и/с — акустич. Маха число,
с — скорость
звука. Ско-
Скорость тече-
Рис. 1. Схема
течения, выз-
вызванного огра-
ограниченным пуч-
пучком звука: 1 — излучатель; г — поглоти-
поглотитель звука; з — звуковой пучок.
ния первого типа (kl > 1), вызван-
вызванного ограниченным звуковым пучком
(рис. 1) при условии Мэк1 < 1, бы-
была рассчитана Эккартом. По поряд-
порядку величины она определяется соот-
вошением: — = — Ма (кгJ <¦*', где
Ь = -jp т| + ?, Т1И?~ коэфф. сдви-
сдвиговой и объёмной вязкости. При
Мак1 <; 1 имеет место соотношение:
u/v яхАЙеатМа(кгJ, где ReaT= vkp/y\—
акустич. Рейнольдса число для акус-
акустич. течений, р — плотность среды,
А — константа; для воды А яз 10.
Скорость А. т. в стоячих звуковых
волнах была рассчитана Рэлеем при
условии Makl < 1; по порядку вели-
величины она определяется соотношением:
u/v яв Ма. Скорость течения в погра-
пограничном слое толщиной 6 (kl < 1), со-
согласно Г. Шлихтингу, оценивается по
ф-ле u/v ях Ма кЬ, применимой при
условии Мак8 < 1. Теория быстрых
течений, когда u/v <; 1 в случаях
kl — I и kl <С 1, отсутствует. Экспе-
Рис. 2. Фотография акустических тече-
течений, возникающих при распространения
ультразвука частотой 5 МГц в бензоле»
26
АКУСТИЧЕСКИЙ ВЕТЕР
риментально наблюдались течения со
скоростью —- 10 см/с в воде, вызван-
вызванные звуковым пучком частоты 1,2 МГц
при амплитуде звукового давления
р ~ 10 атм и v ~ 102 см/с. В возду-
воздухе в стоячей волне с уровнем интен-
интенсивности 167 дБ (уяь1,7.103 см/с)
наблюдались течения со скоростью
м=&5-102 см/с. Согласно форму-
формуле (*) скорость течений Эккарта про-
пропорциональна величине Ыц ~ 1 +
-f- ?/т], что позволяет по измерениям
А. т. определять отношение коэфф.
обтёмной и сдвиговой вязкости.
После включения источника звука
А. т. устанавливается не сразу, а раз-
разгоняется постепенно до тех пор, пока
его торможение из-за вязкости среды
не скомпенсирует увеличение скорос-
скорости под действием звука. При этом
поток турбулизуется, что приводит
к рассеянию звука и искажению зву-
звукового поля. А. т. возможны и в идеаль-
идеальной (невязкой) среде, в частности при
распространении в ней одиночных
звуковых импульсов. В этом случае
возникновение А. т. обусловлено тем,
что средняя плотность среды в облас-
области импульса отлична от равновесной.
А. т. являются помехой при изме-
измерениях звуковых полей с помощью
радиометра и Рэлея диска, но они
имеют и полезные применения. На
явлении А. т. основано действие
нек-рых типов насосов, удобных для
работы в агрессивных средах. Воз-
Возникновение А. т. у поверхности пре-
препятствий, помещённых в звуковое
поле, может увеличить процессы мас-
со- и теплопередачи через их поверх-
поверхность (см. Тепломассообмен в ультра-
ультразвуковом поле); А. т. являются одним
из факторов, обусловливающих
УЗ-вую очистку.
Лит.: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей),
Теория звука, 2 изд., т. 2, М., 1955, с. 212,
324; Зарембо Л. К., Красильни-
к о в В. А., Введение в нелинейную акусти-
акустику, М., 1966; Л а н д а у Л. Д., Л и ф ш и ц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1953, § 64; Мощные ультразвуковые
поля, М., 1968 (Физика и техника мощ-
мощного ультразвука, кн. 2); Е с k art С,
«Pays. Rev.», 1948, v. 73, Na 1, p. 68; Ива-
Ивановский А. И., Теоретическое и экспе-
экспериментальное изучение потоков, вызван-
вызванных звуком, М., 1959; III л и х т и н г Г.,
Теория пограничного слоя, пер. с нем.,
М., 1956. К. А. Наугольных.
АКУСТИЧЕСКИЙ ВЕТЕР — то же,
что акустические течения.
АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧА-
ИЗЛУЧАТЕЛЬ — устройство для создания зву-
звукового поля в упругой среде. В за-
зависимости от назначения А. и. в них
могут быть использованы различные
механизмы звукообразования и они
должны обладать соответствующими
параметрами. Основные характеристи-
характеристики А. и. могут быть определены на
основе рассмотрения упрощённых мо-
моделей. См. Излучение звука, Излучате-
Излучатели ультразвука.
АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМАГНИТ-
ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС электрон-
н ы й (АПР) — поглощение энергии
акустич. колебаний определённой
частоты (избирательное поглощение
фононов) в парамагнитных кристаллах,
помещённых в постоянное магнитное
поле. Это явление аналогично элект-
электронному парамагнитному резонансу
(ЭПР).
Электрон, помимо массы и заряда,
обладает собственным моментом ко-
количества движения, или спином, а сле-
следовательно, и магнитным моментом.
Во внешнем магнитном поле И спин
электрона может иметь одну из двух
возможных ориентации: по направ-
направлению И или против него. Эти две
ориентации соответствуют двум уров-
уровням энергии 3 = ^ 1/2ЯЦб-^' раз-
разность между к-рыми A3 = gfi^H,
где g — фактор спектроскопич. рас-
расщепления, равный для свободного
электрона 2, (хБ = 9,274-104 Дж/Т—
магнетон Бора. Сходные рассуждения
применимы к любому парамагнит-
парамагнитному иону. Спин иона может прини-
принимать несколько положений в ста-
тич. магнитном поле, при к-рых его
проекция на направление поля равна
ms(hl2n), где h — Планка постоянная,
т3 — магнитное квантовое число,
к-рое может принимать 2s -f- 1 зна-
значений; s — полное спиновое число
парамагнитного иона, к-рое может
быть равно V2 (как для электрона),
1, 3/2 и т. д. Разность энергий между
соседними уровнями при этом опре-
определяется той же формулой, что и для
электрона. Переход с одного уровня на
другой под воздействием переменного
магнитного поля частоты v происхо-
происходит, когда удовлетворяется условие:
пч = g\j-B AmsH. A)
Возбуждение в парамагнитном крис-
кристалле электромагнитных колебаний
с частотой v, удовлетворяющей усло-
условию A), приводит к избирательному
поглощению энергии электромагнит-
АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
27
ных колебаний, т. е. к электронному
парамагнитному резонансу.
В кристаллах парамагнитные ионы
находятся в сильном внутрикристал-
лич. электрич. поле, вследствие чего
условие резонанса A) изменяется:
уровни энергии Зт иона становятся
зависящими от параметров внутри-
кристаллич. поля и необязательно
прямо пропорциональны Н. Возбуж-
Возбуждение в парамагнитном кристалле,
помещённом в магнитное поле,акустич.
колебаний с частотой /, удовлетво-
удовлетворяющей условию
*»¦*.-*,»=*/¦ B)
вызывает переходы между уровнями
<$т>А,п и Зт, Переход с уровня Зт,
на котором парамагнитные частицы
имеют меньшую энергию, на более
высокий энергетич. уровень <^т+Дт
сопровождается поглощением фоно-
нов с энергией hf. Переход с верхнего
уровня Зт^т на нижний Зт сопро-
сопровождается излучением фононов с энер-
энергией А/. Резонансное поглощение энер-
энергии акустич. колебаний и наз. АПР.
Передача энергии электромагнитных
колебаний парамагнитным частицам
при ЭПР происходит непосредствен-
непосредственно, в то время как передача акустич.
энергии при АПР происходит по-
посредством спин-фононного взаимодейст-
взаимодействия, т. е. в результате взаимодействия
магнитных моментов парамагнитных
ионов с колебаниями окружающих
атомов и ионов решётки. При АПР
могут наблюдаться переходы, удов-
удовлетворяющие правилу отбора
Дга = ^Л, ±_ 2, в то время как в обыч-
обычном ЭПР разрешены переходы только
с Am = jz 1. АПР, так же как и
ЭПР, наблюдаются в области сверх-
сверхзвуковых (гиперзвуковых)
частот 109— 10п Гц (см. Гиперзвук).
В реальных кристаллах излучение
или поглощение фононов происходит
в конечной полосе частот, поэтому
наблюдается резонансная линия с ха-
характерной для неё шириной и формой,
к-рые зависят как от природы пара-
парамагнитного иона, так и от характе-
характера внутрикристаллич. полей (магнит-
(магнитных и электрических) и могут су-
существенно отличаться от ширины и
формы линии ЭПР.
Экспериментально АПР можно
наблюдать двумя методами: методом
акустич. насыщения линий ЭПР и
методом дополнительного затухания
звука. Первый метод основан на
том, что величина сигнала ЭПР,
к-рый соответствует переходам меж-
меж? ? C > f)
ду уровнями
и
>
пропорциональна разности населён-
ностей этих уровней N2— iVj, причём
N-^> N2 (населённостью iVj наз. чис-
число ионов в единице объёма кристал-
кристалла, обладающих
энергией 3j). S3
Возбуждение в
исследуемом кри-
кристалле акустич.
колебаний с ча- g2
стотой, к-рая от-
отвечает той же '•¦iz-«2- "I
паре уровней Зх st '
и ё2 и на кото- рис и Схема па_
рои наблюдается рамагнитных уровней
АПР, приводит энергии.
к увеличению N2
при соответствующем уменьшении JVj.
С другой стороны, процесс спин-решё-
спин-решёточной релаксации возвращает систе-
систему спинов в равновесное состояние,
при к-ром населённость уровней подчи-
подчиняется распределению Больцмана при
темп-ре решётки. Преобладание пер-
первого процесса, возможное при доста-
достаточной интенсивности УЗ, приводит
к уменьшению разности населённос-
тей уровней по сравнению с равновес-
равновесной и к уменьшению сигнала ЭПР,
т. е. к насыщению резонансной линии.
Зная интенсивность УЗ и величину
ослабления сигнала ЭПР под его воз-
воздействием, можно определить конс-
константы спин-фононного взаимодейст-
взаимодействия. Метод насыщения, кроме того,
находит и другие применения, напр.
для определения формы линии спин-
фононного взаимодействия, для де-
детектирования (приёма) акустич. СВЧ-
колебаний. Метод насыщения исполь-
используется чаще всего в экспериментах,
проводимых в непрерывном режиме;
в импульсном режиме он имеет огра-
ограниченное применение, т. к. время на-
насыщения парамагнитных переходов
много меньше времени спин-решёточ-
спин-решёточной релаксации, что накладывает
строгие ограничения на длительность
импульсов.
Метод измерения дополнительного
затухания гиперзвука, вызванного
акустическим парамагнитным резонан-
резонансом, обычно используется в экспе-
экспериментах, проводимых в импульсном
режиме. При этом объектом измере-
измерения является коэффициент затухания
28
АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
звуковых импульсов в исследуемом
кристалле, обусловленного АПР. В
АПР-спектрометре (рис. 2) кристалл
с двумя преобразователями на кон-
Рис. 2. Блок-схема установки для иссле-
исследования затухания звука, обусловленно-
обусловленного парамагнитными ионами при АПР,
импульсным методом.
цах помещается в постоянное маг-
магнитное поле. Преобразователь 2, пи-
питаемый от источника 1 импульсных
СВЧ-колебаний, служит для гене-
генерации гиперзвука, а преобразова-
преобразователь 4 — для приёма гиперзвуковых
импульсов, прошедших через иссле-
исследуемый кристалл 3. На приёмник 5
поступают электрич. сигналы, соот-
чества, т. е. содержащих незначи-
незначительное количество дефектов.
Исследования АПР представляют
интерес, поскольку тепловое движе-
движение атомов, дефекты кристаллич.
структуры и ряд других факторов
по-разному влияют на форму линий
АПР и ЭПР. Из спектров АПР, к-рые
по форме могут отличаться от спект-
спектров ЭПР, можно получить дополни-
дополнительную информацию о симметрии
локального внутрикристаллич. поля
парамагнитного кристалла. Исследо-
Исследование формы линий АПР позволяет
оценить влияние нарушения симмет-
симметрии кристаллич. поля в результате
наличия дислокаций и случайных де-
деформаций решётки. Эти факторы,
вообще говоря, приводят к ушире-
нию линий АПР по сравнению
с линией ЭПР. АПР используется
для исследований металлов и полу-
полупроводников, применение метода ЭПР
в к-рых затруднено из-за скин-эф-
скин-эффекта. Метод АПР позволяет непо-
непосредственно измерять параметры спин-
фононного взаимодействия. Такие из-
измерения проводятся с моночастотным
звуком определённой поляризации,
Рис. 3. Эхо-сигна-
Эхо-сигналы, иллюстрирую-
* щие затухание уль-
ультразвука при АПР в
рубине: а — при резонансных значениях магнитного поля; б — в отсутствии резонанс-
резонансных условий; А — амплитуда импульсов; ( — время.
ветствующие звуковым импульсам,
многократно отражённым от концов
исследуемого образца. На осцилло-
осциллографе 6 они наблюдаются в виде
последовательности затухающих им-
импульсов (рис. 3, б). Плавно меняя
напряжённость магнитного поля, до-
добиваются, чтобы его значение соот-
соответствовало резонансному переходу,
при к-ром происходит дополнитель-
дополнительное поглощение звука вследствие
АПР (рис. 3, а). Наличие естествен-
естественного затухания звука в кристаллах,
т. е. затухания, обусловленного фо-
нон-фононным взаимодействием, а
также дефектами и неоднородностя-
ми решётки кристалла, снижает
чувствительность АП Р-спектрометров.
Влияние этих факторов уменьшают
путём проведения экспериментов при
достаточно низких темп-pax и ис-
использования кристаллов высокого ка-
поэтому они позволяют изучать за-
зависимость констант спин-фононного
взаимодействия от направления рас-
распространения гиперзвука относитель-
относительно кристаллографич. осей и направ-
направления магнитного поля.
Лит.: Альтшулер С. А., Электрон-
Электронный парамагнитный резонанс, в кн.: Физи-
Физический энциклопедический словарь, т. 5,
М., 1965; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 4, ч. А, М., 1969,
гл. 2; Альтшулер С. А., Козырев
Б. М., Электронный парамагнитный резо-
резонанс соединений элементов промежуточных
групп, 2 изд., М., 1972; Т а к ер Д ж.,
Рэмптон В., Гиперзвук в физике твёр-
твёрдого тела, пер. с англ., М., 1975.
В. Г. Вадалян.
АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГ-
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (АЯМР) —
обусловленное переориентацией маг-
магнитных моментов атомных ядер по-
поглощение энергии акустич. колеба-
колебаний определённой частоты (избира-
(избирательное поглощение фононов) в твёр-
АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
29
дом теле, помещённом в постоянное
магнитное поле. Это явление ана-
аналогично ядерному магнитному резо-
резонансу (ЯМР) — поглощению энергии
электромагнитных волн определённой
частоты (избирательному поглощению
фотонов) в веществе, находящемся в
магнитном иоле. Для большинства
ядер резонансное поглощение наблю-
наблюдается в области УЗ-вых частот от
1 до 100 МГц.
Магнитные свойства многих ядер
связаны с тем, что ядро в целом, так
же как и электрон, обладает момен-
моментом количества движения I, или спи-
спином со спиновым числом /. Во внеш-
внешнем магнитном поле ядра со спином I
по законам квантовой механики могут
принимать 2/ -\- 1 ориентации, к-рым
соответствуют дискретные уровни
энергии. Энергетич. уровни для изо-
изолированных ядерных спинов во внеш-
внешнем магнитном поле Н характеризу-
характеризуются значениями энергий:
где т — проекция I на направление
магнитного поля, ця = 5,05-10~27
Дж/Т — ядерный магнетон, g — ядер-
ядерный фактор спектроскопич. расще-
расщепления. Акустич. колебания с ча-
частотой /, распространяясь в вещест-
веществе, могут вызвать переход спина с
одного уровня энергии на другой,
если выполняется условие:
т. е. если энергия фонона равна раз-
разности между уровнями энергий.
Переход с нижнего уровня Sm на
верхний «?miim сопровождается погло-
поглощением фонона, а переход с верхнего
уровня на нижний — излучением фо-
фонона.
Когда система ядерных спинов на-
находится в состоянии термодинамич.
равновесия, в веществе имеет место
стационарное распределение спинов
по энергетич. уровням с максималь-
максимальным заполнением нижних уровней.
В соответствии с распределением
Больцмана число спинов N2 на верх-
верхнем уровне с энергией «?2 (населён-
(населённость энергетич. уровня «?2) меньше,
чем число спинов N1 на нижнем уров-
уровне ?г. Поэтому при акустич. коле-
колебаниях число актов поглощения пре-
превышает число актов излучения, и
в результате наблюдается резонансное
поглощение фононов — АЯМР.
Природа резонансного поглощения
фононов связана с передачей энергии
акустич. волны ядерной спин-систе-
спин-системе вследствие модуляции акустич.
колебаниями различных внутренних
взаимодействий (см. Спин-фононное
взаимодействие). В результате пере-
передачи энергии происходит излучение
или поглощение фонона в конечной
полосе частот; при этом наблюдается
=-3/z
hi
hi
2hf
Ы
2hf
'/г
S/2
Рис. 1. Уровни энергии для ядра со спи-
спином I = 3/г в постоянном магнитном по-
поле Я. Стрелками изображены возможные
переходы для АЯМР с частотой / для
Am = ± 1 и с частотой 2/ для Длг =
= ± 2.
резонансная линия с характерной для
неё шириной и формой. При АЯМР
разрешены переходы с Am = ^1,^2,
в то время как в обычном ЯМР разре-
разрешены переходы только с Am = i 1
(рис. 1).
Эксперименты по АЯМР можно раз-
разделить на две основные группы: экс-
эксперименты, в к-рых передача энергии
акустич. колебаний наблюдается в ви-
виде добавочного поглощения УЗ (ме-
(метод прямого акустич. резонанса), и
эксперименты, в к-рых действие акус-
акустич. волн регистрируется по насы-
насыщению линий АЯМР (метод акустич.
насыщения ЯМР). Обычные УЗ-вые
методы позволяют обнаруживать из-
изменения поглощения в твёрдых телах
~ 10, в то время как при ЯМР
можно наблюдать изменение погло-
поглощения звука — 10~6. Чтобы достиг-
достигнуть чувствительности, необходимой
для прямого измерения поглощения
звука ядерными спинами, применяют-
применяются методы, основанные на использо-
использовании высокой добротности механич.
резонатора, выполненного в виде крис-
кристалла, торцы к-рого изготовлены оп-
оптически плоскими и параллельными.
Для проведения экспериментов ме-
методом прямого акустич. резонанса
при работе в непрерывном режиме
пользуются спектрометром АЯМР
(рис. 2). Он содержит составной ре-
резонатор в виде образца 1 с двумя пре-
30
АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
образователями 2 и 3 (приведена
«проходная» схема). В частотной ха-
характеристике резонатора наблюдает-
наблюдается спектр узких линий (рис. 3), каж-
Рис. 2. Блок-схема спектрометра АЯМР,
используемого для исследований методом
прямого акустического поглощения:
1 — кристалл; в — преобразователь; з —
приёмник ультразвука; 4 — генератор
СВЧ-нолебаний; s — согласующая схема;
6 — чувствительный приёмник; 7 — само-
самописец; 8 — магнит.
дая из к-рых соответствует собствен-
собственным механич. колебаниям образца.
Генератор 4 (рис. 2) высокочастотных
колебаний АЯМР-спектрометра на-
настроен на частоту одного из механич.
собственных колебаний составного ре-
резонатора. С помощью высокочастот-
высокочастотных согласующих цепей 5, включён-
включённых между генератором и резонатором,
добиваются того, чтобы амплитуда
высокочастотных колебаний в кон-
контуре генератора стала чувствительной
к весьма малым изменениям поглоще-
поглощения звука в образце. Резонатор, со-
содержащий исследуемые ядра, помеща-
помещается в магнитное поле ~ 1кЭ, к-рое
медленно изменяется, проходя через
значения, соответствующие резонан-
резонансу. Поглощение энергии акустич. ко-
колебаний системой ядерных спинов
проявляются в виде резонансного
поглощения, зависящего от магнит-
магнитного поля, в отличие от фонового
поглощения, к-рое не зависит или сла-
слабо зависит от частоты. Метод прямого
Рис. 3. Спектр механических колебаний
монокристалла меди, полученный при по-
подаче сигнала качающейся частоты. Сред-
Средняя частота 10 МГц.
акустич. возбуждения ядерных спи-
спинов позволяет исследовать металлы
и низкоомные полупроводники, т. е.
вещества, где трудно применять тех-
технику ЯМР. Он позволяет регистриро-
регистрировать форму линий АЯМР, зависи-
зависимость интенсивности АЯМР и ширины
линий от различных факторов: де-
дефектов кристаллич. структуры, квад-
рупольных расщеплений и др.
Изучение АЯМР методом акустич.
насыщения основано на том, что
величина сигнала ЯМР пропорцио-
пропорциональна разности населё'нностей уров-
уровней, между к-рыми наблюдается ЯМР.
Если в кристалле возбуждены акустич.
колебания с частотой, равной частоте
АЯМР, и столь мощные,что число ядер-
ядерных спинов, переходящих с нижнего
энергетич. уровня на верхний из-за
ЯМР, больше, чем число спинов, пере-
переходящих с верхнего на нижний из-за
спин-решёточной релаксации, то раз-
разница населённостей между указан-
указанными уровнями уменьшается. Это
приводит к ослаблению сигнала ЯМР,
Рис. 4. Блок-схема спектрометра АЯМР,
используемого для исследований методом
акустического насыщения: 1 — кристалл;
S — преобразователь; з — ультразвуко-
ультразвуковой передатчик; 4 — удвоитель частоты;
5 — спектрометр ЯМР; в — синхронный
детектор; 7 — модулятор; 8 — самописец;
9 — полюс магнита, поле к-рого перпен-
перпендикулярно плоскости рисунка.
т. е. к его насыщению. В результате
измерений методом акустич. насыще-
насыщения ЯМР находят зависимость ядер-
ядерного спин-фононного поглощения от
А/А 0, где А 0 — амплитуда сигнала
ЯМР в отсутствии акустич. колеба-
колебаний, а А — амплитуда этого сигнала
при акустич. возбуждении. При иссле-
исследовании АЯМР методом адустич. на-
насыщения в непрерывном режиме
(рис. 4) кристалл 1 помещается в пос-
постоянное магнитное поле и в поле высо-
высокочастотных колебаний ЯМР-спектро-
метра 5. Частота генератора удваива-
удваивается с помощью удвоителя 4, и на-
напряжение удвоенной частоты 2v0
усиливается в УЗ-вом передатчике 3,
выход к-рого используется для воз-
возбуждения кварцевого преобразовате-
преобразователя 2, приклеенного к образцу. Вызы-
АКУСТООПТИКА
31
пая переходы с Am = i 2, УЗ-вые
колебания насыщают стационарный
сигнал ЯМР. Возбуждение УЗ-вых
колебаний с частотой 2 v0, соответст-
соответствующей Am = J^-2, выбирается для
того, чтобы уменьшить вероятность
переходов на резонансной частоте v0,
обусловленных электромагнитными
наводками цепи УЗ-вого преобразо-
преобразователя. Когда постоянное поле мед-
медленно проходит резонансное значение,
регистрируется форма сигнала ЯМР.
В импульсном методе акустич. на-
насыщения используется стандартная
импульсная методика регистрации
ЯМР. К обычному импульсному
ЯМР-спектрометру добавляется гене-
генератор, возбуждающий У3-вой преобра-
преобразователь, приклеенный к одному из
торцов исследуемого образца. Частота
УЗ-вых колебаний соответствует час-
частоте АЯМР с Am = ± 2. Для количест-
количественной интерпретации данных по акус-
акустическому насыщению требуется зна-
знание плотности энергии акустич. волны
либо амплитуды деформации крис-
кристалла.
Метод стационарного акустич. на-
насыщения имеет ряд недостатков по
сравнению с импульсной методикой:
под влиянием акустич. насыщения
меняется не только интенсивность,
но и форма линии ЯМР, для интер-
интерпретации эксперимента необходимо
измерять время спин-решёточной ре-
релаксации, к-рое проще определяется
импульсным методом. Поэтому ста-
стационарное акустич. насыщение обычно
используют в тех случаях, когда за-
затруднено применение импульсного ме-
метода акустич. насыщения, т. е. в слу-
случае больших времён релаксации, ши-
широких линий и др.
Применение АЯМР позволяет рас-
расширить возможности ЯМР и получить
дополнительную информацию о строе-
строении твёрдого тела. АЯМР широко
используется при исследованиях в ме-
металлах и низкоомных полупроводни-
полупроводниках (напр., InSb), когда применение
обычного ЯМР затруднительно вслед-
вследствие скин-эффекта, не позволяющего
электромагнитному полю проникнуть
внутрь образца. АЯМР — метод ис-
исследования ядерного спин-фононного
взаимодействия. Он позволяет изучать
при комнатных темп-pax однофонон-
ные процессы, к-рые в обычном ЯМР
проявляются только при очень низких
темп-pax. АЯМР позволяет получать
информацию о влиянии дислокаций
и других дефектов кристалла на форму
резонансных линий, о величине и
природе внутренних магнитных по-
полей, а также о процессах тепловой
релаксации в магнитных материалах,
в частности о роли взаимодействия
фононов со спиновыми волнами (см.
Магнитоупругие волны). АЯМР мож-
можно использовать для некогерентной
регистрации нелинейных фонон-фо-
нонных взаимодействий в твёрдых
телах.
Лит.: Кессель А. Р., Ядерный аку-
акустический резонанс, М., 1969; III у т и-
лов В. А., «Акуст. ж.», 1962, М8, с. 383;
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона,
пер. с англ-, т. 4, ч. А, М., 1969, гл. 3; Г о-
ленищев-Кутузов В. А. и др.,
Магнитная квантовая акустика, М., 1977.
В. Г. Бадалян.
АКУСТИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕ-
СОПРОТИВЛЕНИЕ — см. Импеданс акустический.
АКУСТООПТИКА — область фи-
физики, изучающая явления взаимо-
взаимодействия электромагнитных волн со
звуковыми волнами в твёрдых и жид-
жидких телах, и одновременно область
техники, в к-рой создаются различные
приборы на основе этих явлений.
Взаимодействие света со звуком
широко используется в современной
оптике, оптоэлектронике, лазерной
технике для управления когерент-
когерентным световым излучением. Акусто-
оптич. устройства позволяют управ-
управлять амплитудой, частотой, поляри-
поляризацией, спектральным составом све-
светового сигнала и направлением рас-
распространения светового луча. Акус-
тооптич. приборы отличаются уни-
универсальностью, быстродействием, про-
простотой конструкции, кроме того, по-
позволяют вести параллельную обработ-
обработку информации в реальном масштабе
времени.
Работа подавляющего большинства
акустооптич. устройств основана на
явлении дифракции света на ультра-
ультразвуке. Поскольку угол отклонения
дифрагированного света определяется
длиной звуковой волны, им можно
управлять, изменяя частоту вводи-
вводимого звука. Этот принцип управления
направлением светового луча в прост-
пространстве положен в основу работы
акустооптич. дефлекторов и сканеров.
Распределение энергии между основ-
основным лучом и дифрагированным регу-
регулируется изменением интенсивности
звука. Этот эффект используется в
приборах, управляющих интенсивно-
АКУСТООПТИКА
¦стью световых пучков. На периодич.
структуре, создаваемой монохрома-
тич. звуковой волной, эффективно диф-
дифрагирует свет лишь определённой дли-
длины волны. Такая избирательность
позволяет выделить из спектра падаю-
падающего оптич. излучения узкий спект-
спектральный интервал. С изменением час-
частоты звука меняется в широких пре-
пределах и длина волны дифрагиро-
дифрагированного света. На этом явлении осно-
основывается работа быстродействующих
акустооптич. устройств, осуществля-
осуществляющих управляемую фильтрацию све-
светового сигнала.
Картина взаимодействия падающего
оптич. излучения со звуковыми вол-
волнами зависит от интенсивности звука
и света. Если плотность потока свето-
световой энергии относительно невелика,
то воздействием света на среду, в к-рой
распространяется звук, можно пре-
пренебречь. Тогда взаимодействие света
со звуком сводится, в зависимости от
соотношения между поперечным раз-
размером d падающего оптич. пучка
и длиной звуковой волны Л, к явле-
явлениям дифракции и рефракции. Если
же, наоборот, интенсивность света
достаточно велика, а звука относитель-
относительно мала, то возможно усиление сла-
слабых звуковых волн светом или генера-
генерация звука в результате вынужден-
вынужденного Манделъштама—Вриллюэна рас~
сеяния.
Акустооптич. рефракция — измене-
изменение хода световых лучей в неоднород-
неоднородно деформированной среде (рис. 1) —
возникает, если поперечный размер
светового пучка d значительно мень-
меньше длины звуковой волны, т. е.
(i«A. Световой луч, падающий нор-
нормально, после прохождения звуково-
звукового пучка толщиной D отклоняется от
своего первоначального направления
на угол Р, пропорциональный длине
пути светового луча в звуковом поле
L =a D и градиенту показателя пре-
преломления п. В случае бегущей УЗ-вой
волны угол отклонения меняется во
времени с частотой звука Q по закону:
ковой волне, р — упругооптич. по-
постоянная вещества (постоянная Пок-
кельса), характеризующая зависи-
зависимость показателя преломления от уп-
упругой деформации и определяемая
выражением:
р =¦
г'в
(е0 и е — диэлектрич. проницаемость
невозмущённой и возмущённой среды
соответственно, S — деформация сре-
среды). Величина угла отклонения огра-
Рис. 1. Рефракция света на звуке.
ничена, т. к. при больших значениях
C искривлённый световой луч попа-
попадает в ^область звуковой волны, где
градиент деформации меняет знак и
начинается отклонение луча в проти-
противоположную сторону. Для воды углы
отклонения не превышают величины
3,4° при плотностях звукового потока
не более 100 Вт/см2.
Дифракция света на УЗ эффективна
лишь при определённой геометрии
акустооптич. взаимодействия. При
дифракции света на высокочастот-
высокочастотном звуке свет должен падать на зву-
звуковой пучок под определённым уг-
углом — т. н. углом Брэгга; в этом
случае возникает только первый по-
порядок дифрагированного света. При
дифракции света на УЗ в реальных
условиях необходимо учитывать ко-
конечную расходимость как световых,
так и акустич. пучков, к-рая харак-
характеризуется величинами:
Yoiit
YaK
определяя тем самым синусоидальный
аакон сканирования светового луча.
где d и D — характерные размеры
светового и звукового излучателей,
о д „„ ' X — длина световой волны. В случае
Здесь An = ГрЛз50-амплитуда мо- узкого акустичесКого пучка, когда
дуляции показателя преломления и,
5П — амплитуда деформации в зву-
у у у, д
•уак>7опт> во взаимодействии со све-
светом участвует лишь та часть звуковых
АКУСТООПТИКА
33
лучей, для к-рых оказались выполнен-
выполненными условия Брэгга. Поскольку
эти условия выполняются для всех
световых лучей, то возможно полное
отклонение падающего света. Угло-
иая расходимость дифрагированного
получения совпадает с расходимостью
падающего. При изменении частоты
звука угол отклонения дифрагирован-
дифрагированного пучка может меняться в пределах
А9'<:21>ак- В случае брэгговской ди-
дифракции на широком акустич. пучке,
т. е. при -уак С Топт* дифрагированной
оказывается лишь часть падающего
света, для волновых векторов к-рой
выполняются брэгговские условия.
В области низких звуковых частот
эффективная дифракция имеет место,
когда свет падает нормально на зву-
звуковой пучок; это т. н. дифракция
Рамана — Ната, в результате к-рой
энергия падающего излучения распре-
распределяется среди многих порядков ди-
дифракции. Как брэгговская дифракция,
так и дифракция Рамана — Ната ши-
широко используются и в современной
технике, и в различных физич. иссле-
исследованиях.
Акустооптические методы в физи-
физических исследованиях. Акустооптич.
методы дают возможность изучать
локальные характеристики звуковых
полей и свойства материалов, в к-рых
имеет место взаимодействие света со
звуком. По угловым зависимостям
дифрагированного света определяются
диаграмма направленности и спект-
спектральный состав акустич. излучения.
Анализ эффективности дифракции в
различных точках образца позволяет
иосстановить картину пространствен-
пространственного распределения интенсивности
звука. Наконец, на основе акусто-
онтич. эффектов осуществляется ви-
визуализация звуковых полей. С по-
помощью брэгговской дифракции удаёт-
удаётся получить информацию о спектраль-
спектральном, угловом и пространственном рас-
распределении акустич. фононов в длинно-
длинноволновой области фононного спектра.
Акустооптич. дифракция позволяет
измерять многие параметры материа-
материалов: скорость и поглощение звука,
модули упругости второго, третьего
и более высоких порядков, упруго-
оптич. постоянные и другие величины.
Так, из условия Брэгга по известным
значениям частоты / УЗ и длины вол-
волны света X и по измеренному углу
28б между падающим и дифрагирован-
дифрагированными световыми лучами можно опре-
определить скорость звука:
сзв = Х//2 sin 0б
(где 6б— т. н. угол Брэгга). На осно-
основе полученных таким образом данных
о значениях сзв по различным направ-
направлениям рассчитывается полная мат-
матрица модулей упругости {С^,ы}.
Коэфф. поглощения звука а можно
найти путём сравнения интенсивно-
стей 1Х и /2 дифрагированного света,
измеренных при двух положениях
падающего светового луча, смещён-
смещённых друг относительно друга на рас-
расстояние а вдоль направления распрост-
распространения звуковой волны:
a = -Llnii-.
la 1г
При распространении в среде ин-
интенсивных звуковых волн метод акусто-
акустооптич. дифракции позволяет получить
данные о модулях упругости высших
порядков.
Измерение упругооптич. постоян-
постоянных осуществляется двумя способами.
В методе индуцированного двулуче-
преломления к образцу приклады-
прикладывается механич. напряжение, вызы-
вызывающее изменение положения осей
и главных значений эллипсоида по-
показателей преломления. По этим из-
изменениям определяют абсолютную
величину и знак соответствующего
упругооптич. коэфф. р. Меняя ориен-
ориентацию образца относительно прикла-
прикладываемого напряжения и падающего
светового луча, можно измерить пол-
полную матрицу упругооптич. постоян-
постоянных Pij,ki- Другой метод, основан-
основанный на сравнении эффективностей ди-
дифракции в различных средах, позво-
позволяет определить упругооптич. качество
М2 — р2 одного из материалов, если
эта величина известна для другого
материала.
Акустооптические устройства — ак-
активные оптич. элементы, позволяю-
позволяющие управлять всеми параметрами
светового луча, а также обрабаты-
обрабатывать информацию, носителем к-рой
являются как световая, так и звуко-
звуковая волны. Основу таких устройств
составляет акустооптич. ячейка (АОЯ).
Она состоит из рабочего тела (твердо-
(твердотельного образца или кюветы с жид-
жидкостью), в объёме к-рого происходит
взаимодействие света с УЗ-вой вол-
волной, и излучателя УЗ, обычно пред-
34
АКУСТООПТИКА
ставляющего собой плёночный преобра-
преобразователь или пьезоэлектрический пре-
преобразователь. В зависимости от наз-
назначения имеется несколько типов
акустооптич. приборов: дефлекторы,
модуляторы, фильтры, процессоры
и др. Все они используются для
управления световым лучом как внут-
внутри, так и вне оптич. квантового ге-
генератора, а также в устройствах
обработки информации, носителем
к-рой является звуковая волна.
Акустооптические де-
дефлекторы и сканеры — уст-
устройства для управления направлением
светового луча в пространстве на
основе явлений акустооптич. дифрак-
дифракции и рефракции. Сканеры предна-
предназначаются для непрерывной развёрт-
развёртки луча; в дефлекторе имеется набор
фиксированных направлений, по кото-
которым должен отклоняться световой луч.
В дифракционном дефлекторе (рис.2)
луч света падает на АОЯ, в к-рой
возбуждается звуковая волна с часто-
частотой /. В результате брэгговской ди-
дифракции свет частично отклоняется.
При изменении частоты звука ме-
Рис. 2. Схе-
Схема акустооп-
тическогоде-
тическогодефлектора:
1 — акусто-
оптическая
ячейка; г —
излучатель
ультразвука;
3 —фотопри-
—фотоприёмное устройство; г|) — максимальное угло-
угловое перемещение луча.
няется и угол отклонения дифра-
дифрагированного луча", происходит пере-
перемещение светового луча по экрану
фотоприёмного устройства. Исполь-
Использование частотно-модулированных зву-
звуковых сигналов (см. Модуляция ко-
колебаний) позволяет непрерывно изме-
изменять направление светового луча.
Акустооптич. дефлекторы осуществ-
осуществляют как однокоординатное, так и
двухкоординатное отклонение све-
светового луча. В последнем случае
используются два скрещенных одно-
одномерных дефлектора. Они могут быть
совмещены в одной акустооптич.
ячейке, если возбуждать в ней акус-
акустич. волны в двух взаимно перпен-
перпендикулярных направлениях.
Основные характеристики устройств
пространственного управления лучом:
эффективность т] — отношение интен-
интенсивности отклонённого света к интен-
интенсивности падающего, быстродействие
т, максимальное угловое перемещение
луча \р и связанная с ним полоса
пропускания Д/, представляющая со-
собой интервал акустич. частот, внутри
к-рого возможна дифракция падаю-
падающего света. Важнейшая характерис-
характеристика дефлекторов — разрешающая
способность N — число различимых
положений светового луча в преде-
пределах максимального углового пере-
перемещения г|з. Согласно критерию Рэлея,
два положения светящейся точки раз-
различимы, если центральный максимум
одной из них совпадает с первым
минимумом другой. Число разреши-
разрешимых положений N светового луча
определяется наибольшим угловым
перемещением i|) и угловой расхо-
расходимостью 7опт светового луча:
В дифракционных приборах угол
отклонения дифрагированного света
однозначно определяется частотой зву-
звука/и углом падения вв. Для того
чтобы изменить направление дифра-
дифрагированного луча при неизменном
угле падения света на АОЯ, необ-
необходимо менять частоту и направле-
направление распространения звуковой вол-
волны так, чтобы внутри полосы про-
пропускания Д/ повсюду выполнялось
условие Брэгга.
В простейшем случае выполнение
условия Брэгга осуществляется бла-
благодаря расходимости акустич. пучка.
Расходящийся пучок можно рассмат-
рассматривать как совокупность плоских
волн, направления распространения
к-рых лежат внутри углового интер-
интервала уак. Для заданной частоты зву-
звука дифракция будет происходить лишь
на той компоненте пучка, для к-рой
волновой вектор удовлетворяет усло-
условию Брэгга. С изменением частоты
этому условию удовлетворяет уже
другая компонента пучка. При ис-
использовании изотропного материала
в качестве рабочего тела АОЯ мак-
максимальное угловое перемещение равно
удвоенной угловой расходимости зву-
звукового пучка:
¦ф = 2YaK ^ 2AID.
В соответствии с этим полоса пропус-
пропускания Д/ и разрешающая способ-
АКУСТООПТИКА
35
иость N оказываются пропорциональ-
пропорциональными звуковой расходимости:
д. _ 2c3BcoseB дг 27ак<г
Для дефлектора с высокой разрешаю-
разрешающей способностью требуется значи-
значительная расходимость звукового пуч-
пучка, а следовательно, и минимальная
его толщина D. Падение эффектив-
эффективности дифракции в этом случае, вы-
:i ванное уменьшением длины акусто-
акустооптич. взаимодействия, компенсируют
увеличением вводимой акустич. мощ-
мощности. Однако с увеличением разре-
разрешающей способности N падает эффек-
эффективность использования этой мощно-
мощности, т. к. на дифракцию света расхо-
расходуется лишь i/N-я её часть.
Применение в АОЯ двулучепрелом-
ляющих материалов позволяет су-
существенно улучшить характеристики
дефлекторов. С этой целью исполь-
используется анизотропная дифракция све-
света вблизи минимального значения
угла Брэгга 8m(n. При падении света
на звуковой пучок под углом 6mjn
небольшая расходимость звукового
пучка обеспечивает выполнение усло-
иия Брэгга для достаточно широкого
диапазона акустич. частот, а следова-
следовательно, и значительный интервал уг-
углов отклонения дифрагированного све-
света. Это позволяет пользоваться широ-
широким акустич. пучком, что снижает
акустич. мощность, необходимую для
получения высокой эффективности
дифракции, и даёт значительный
выигрыш в разрешении по сравнению
с дефлекторами, в к-рых используют-
используются изотропные материалы, однако ра-
рабочие частоты таких приборов лежат
обычно в гигагерцевом диапазоне.
Управлять дифрагированным лу-
лучом можно, используя также т. н.
фазированную решётку излучателей—
ступенчатую систему акустич. пре-
преобразователей, сдвинутых по фазе,
параметры к-рой подбираются таким
образом, чтобы фронт волны, отве-
отвечающей центральной частоте полосы
пропускания, был параллелен плос-
плоскости отдельного преобразователя,
а при изменении частоты фронт пово-
поворачивался бы так, чтобы компенси-
компенсировать соответствующее цриращение
угла Брэгга. Этот способ возбужде-
возбуждения звука позволяет в несколько раз
увеличить полосу пропускания и раз-
разрешающую способность дефлектора.
Современные дифракционные де-
дефлекторы позволяют получить разре-
разрешающую способность N ~ 102—10'
элементов с эффективностью в не-
несколько десятков процентов при по-
потребляемой акустической мощности
0,1—1 Вт.
В рефракционных устройствах от-
отклонение светового луча осуществи
ляется за счёт искривления его пути
при прохождении через среду, не-
неоднородная деформация к-рой созда-
создаётся стоячей или бегущей звуковой
волной. Они представляют ©обой низ-
низкочастотные приборы (¦/ <; 0,5 МГц);
осуществляющие развёртку светового
луча по синусоидальному закону.
Кпд рефракционных сканеров м»я,
т. к. лишь ничтожная часть Эвуко4-
вой энергии, заключённой й объёме
АОЯ, расходуется на отклонение еве-
тового луча.
Акустооптические мо-
модуляторы. Перераспределение
световой энергии между проходящим
и дифрагированным светом служит
основой для создания акустооптич.
модуляторов — приборов, управляю-
управляющих интенсивностью световых пуч-
пучков. Обычно используется модуля-
модуляция дифрагированного света, т. к.
100%-ная модуляция проходящего из-
излучения требует значительных акус-
акустич. мощностей.
Акустооптич. модулятор представ-
представляет собой АОЯ, в к-рую вводится
амплитудно-модулированныи звуко-
звуковой сигнал. Падающий на АОЯ свет
частично дифрагирует на звуке; от-
отклонённый луч принимается фото-
фотоприёмным устройством. В модуля-
модуляторах используется как брэггов-
ская дифракция, так и дифракция
Рамана — Ната. Основные харак-
характеристики акустооптич. модуля-
модулятора: его эффективность т), полоса
пропускания А/ и быстродействие т.
Как быстродействие, так и макси-
максимальная ширина полосы определяют-
определяются временем прохождения звука через
апертуру светового луча:
Эффективность, представляющая со-
собой долю дифрагированного света,
возрастает с увеличением длины взаи-
взаимодействия. Поэтому использование
брэгговского режима дифракции
в модуляторах ведёт к повышению
их эффективности. Оптимальный ре-
36
АКУСТООПТИКА
жим работы брэгговского модулято-
модулятора, к-рому соответствуют максимумы
х\ и А/, возможен, если пучки света
и звука имеют одинаковую расходи-
расходимость:
Yoiit = Так-
Акустооптические фильт-
р ы. Брэгговская дифракция позво-
позволяет выделить из широкого спект-
спектра оптич. излучения достаточно узкий
интервал длин световых волн, по-
поскольку с монохроматич. звуком
эффективно взаимодействуют лишь те
световые волны, длины к-рых с до-
достаточной точностью удовлетворяют
условию Брэгга. Изменяя частоту
звука, можно выделяемый интервал
перемещать по оптич. спектру в ши-
широких пределах. На этом основано
использование АОЯ в качестве спект-
спектрального прибора — перестраиваемо-
перестраиваемого оптич. фильтра.
Как правило, в акустооптич. фильт-
фильтрах используется анизотропная ди-
дифракция в двулучепреломляющих
кристаллах (рис. 3). Разделение про-
проходящего и дифрагированного света
осуществляется системой поляри-
поляризаторов. На акустооптич. ячейку
1 падает плоскополяризованный свет,
степень поляризации к-рого контро-
контролируется поляризатором 2. При про-
прохождении света через ячейку в узком
спектральном интервале возникает
оптич. излучение другой поляриза-
поляризации. Наличие его определяется ана-
анализатором 3. Монохроматич. звук
создаётся с помощью электроакус-
тич. преобразователя 4. Эффектив-
Эффективность фильтра увеличивается с рос-
ростом длины взаимодействия, поэтому
Поглотитель
Рис. 3. Схемы акустооптических фильт-
фильтров на основе коллинеарной (а) и некол-
линеарной (б) дифракций: 1 — акусто-
оптическая ячейка; 2 — поляризатор;
з — анализатор; 4 — излучатель ультра-
ультразвука; стрелками указана поляризация
световых лучей.
в акустооптич. фильтрах использует-
используется, как правило, ко л линеарная дифрак-
дифракция, при к-рой направления распро-
распространения света и звука совпадают
(рис. 3, о), хотя известны акустооп-
акустооптич. фильтры и с неколлинеарным
взаимодействием (рис. 3, б).
Основные характеристики акусто-
акустооптич. фильтра — ширина полосы
пропускания А?»„ и разрешающая спо-
способность R = А?»,)Ао (^о — длина вол-
волны падающего излучения в вакууме),
диапазон оптич. перестройки, эффек-
эффективность т] и быстродействие т фильт-
фильтра. В реальных устройствах ширина
полосы пропускания определяется
спектральной шириной линии света
при брэгговской дифракции, расхо-
расходимостью как светового, так и акус-
тич. пучков и спектральным составом
акустич. сигнала. Для современных
акустооптич. фильтров характерны
значения АХ0 ~ 10~4—10~а мкм и
R ~ 10 -3—10 ~4.
Эффективности имеющихся фильт-
фильтров составляют 50—100% при интен-
интенсивности звука /ак — 1 Вт/см2 и длинах
взаимодействия — нескольких см (до
10 см). Диапазон оптич. перестройки
определяется шириной полосы акус-
акустич. частот, возбуждаемых преобра-
преобразователем, и частотной зависимостью
поглощения УЗ. Как правило, он
достаточен для перекрытия всего
оптич. диапазона.
Акустооптические уст-
устройства обработки инфор-
информации — процессоры. Акус-
Акустооптич. приборы, рассмотренные вы-
выше, служат основой при создании
различных функциональных устройств
для обработки СВЧ сигналов (т. н.
процессоров), к-рые в отличие от
цифровых вычислительных машин
позволяют обрабатывать информацию
в реальном масштабе времени. Для
выполнения такой обработки необ-
необходимо предварительное преобразо-
преобразование радиосигнала в звуковой. Па-
Параллельная обработка данных осу-
осуществляется путём одновременного
считывания всей запасённой в звуко-
звуковом импульсе информации при дифрак-
дифракции света на звуковом сигнале. Раз-
Различают низкочастотные процессоры,
использующие дифракцию Рамана —
Ната и эффективные в области частот
до 100 МГц, и высокочастотные брэг-
говские процессоры, работающие при
/ > 100 МГц.
АКУСТООПТИКА
37
В низкочастотном процессоре
(рис. 4) коллимированный монохро-
матич. световой пучок попадает на
пкустооптич. модулятор 1, создаю-
создающий фазовую модуляцию у выхо-
выходящего света; далее световой луч
Рис. 4. Структурная схема низкочастотно-
низкочастотного процессора: ins — сигнальный и опор-
опорный модуляторы; 2 и 4 — оптичеокие
фильтры; 5 — фотодетектор.
попадает на оптич. фильтр 2, под
к-рым понимаются маски, заслонки,
диафрагмы и т. п.— устройства, осу-
осуществляющие ту или иную линейную
операцию с комплексной световой
амплитудой, затем на опорный моду-
модулятор 3, после чего ещё на один
фильтр 4 и, наконец, на фотодетек-
фотодетектор 5. Такие процессоры осуществ-
осуществляют следующие операции: быстрое,
т. е. в реальном масштабе времени,
фурье-разложение звукового сигна-
сигнала, нахождение взаимной корреля-
корреляции заданной функции с опорной,
генерирование сигналов с наперёд
заданной формой и т. д.
В процессоре, осуществляющем быст-
быстрое фурье-разложение СВЧ сигнала
(рис. 5), монохроматич. свет падает
Рис. 5. Акустооптический анализатор
спектра, работающий в раман-натовском
режиме: 1 — акустооптическая ячейка;
2 — линза; з — преобразователь; i — фо-
фотодетектор; 5 — экран.
на акустооптич. модулятор 1, рабо-
работающий в режиме дифракции Рама-
на — Ната. В плоскости аа', совпа-
совпадающей с фокальной плоскостью лин-
линзы 2, распределение комплексной
амплитуды световой волны в зависи-
зависимости от расстояния до оси линзы х
имеет вид:
—ih xeaBt
Е(х, *) =iq>3 (-?¦)« * ,
где S I— I ~ S (со) — фурье-образ зву-
звукового сигнала S(t), к — волновое
число для световой волны, F — фо-
фокусное расстояние линзы, <р — глу-
глубина фазовой модуляции светового
потока после выхода из АО Я. Соот-
Соответствующее распределение фототока
на детекторе имеет вид:
Т. о., распределение фототока, изме-
измеренное фотодетектором, в плоскости
аа' даёт спектральное распределение
входного сигнала S (t). Для получения
спектрального распределения в реаль-
реальном масштабе времени (т. е. без ме-
ханич. перемещения фотодетектора)
в плоскости аа' необходимо располо-
расположить матрицу фотоприёмников. Тогда
сигнал с определённого фотоприём-
фотоприёмника будет характеризовать величину
соответствующей спектральной состав-
составляющей сигнала S(t).
Структурная схема высокочастот-
высокочастотных брэгговских процессоров отлича-
Sit)
Рис. 6. Процессоры для сжатия импульс-
импульсного сигнала с линейной частотной моду-
модуляцией на основе изотропной (а) и ани-
анизотропной (б) брэгговской дифракции:
1 — акустооптическая ячейка; г — фото-
фотодетектор; стрелками указано направление
поляризации световых лучей; кружок
с точкой обозначает направление поляри-
поляризации луча, перпендикулярное плоскости
чертежа.
38
АКУСТООПТИКА
Материал
Вода
Плавленый кварц ....
Кварц . ,
а-иодистая кислота . . .
Парателлурит
Молибдат свинца ....
Ниобат лития ......
Германат висмута ....
Рутил , .
Киноварь
Прустит
Халькогенидное стекло
Теллур
Германий
Арсенид галлия
Фосфид галлия
Корунд ,
А к у с т о о
птические
Среда
химическая
формула
Н2О
SiOa
SiOj
о-НШ,
ТеО2
PbJVloO,
LiNbO3
BiI2GeO20
TiO2
a-HgS
Ag3AsS3
As2S,
Ge3sAs12SeSs
HgAsS2
Те
Ge
GaAs
GaP
а-А12О3
симметрия
кристалла
Изотропная
„
32
222
422
4/m
3 m
23
4/m m m
32
32
Аморфная
• 32
m 3 m
43 m
43 m
3 m
плотность
p, г/см»
1
2,20
2,65
4,63
5,99
6,95
4,7
9,2
4,23
8,1
5,57
3,2
4,0
6,24
5,33
5,34
4,13
4,0
диапазон про-
прозрачности по
длинам волн,
мкм
0,2—0,9
0,2 — 4,5
0,12-4,5
0,3 — 1,8
0,35—5
0,42-5,5
0,4—4,5
0,45—5,5
0,45-6
0,62-16
0,65-13,5
0,6-11,5
1-12
0,64—13
5—20
2—20
1 — 11
0,6-10
0,15-6,5
показатель
преломления
п
1,33
1,46
по=1,54
п„=1,55
па—{ ,985
пс={ ,8 40
п„=2,43
п,=2,27
по=2,36
п„=2,25
По=2,2 9
п„=2,20
2,55
II
to to
оо ел
00 00
п„=2,887
п,,= 3,2 35
п„—2 ,98
п„=2 ,7
2,61
2,55
2,7
п„=4,8
пе=6 ,2
4,0
3,37
3,31
1,76
Примечание: п0, пе — показатели преломления для обыкновенного и необыкновен
преломления света в двуосных кристаллах; [010] — обозначение кристаллографич. осей
волн; Ц и л. — обозначение поляризации света вдоль и поперёк направления распростра
ется от схемы низкочастотных уст-
устройств только способом ввода све-
светового пучка в АОЯ. Поскольку при
дифракции Брэгга угол падения све-
светового луча строго задан, то для
осуществления дифракции во всей
полосе частот акустич. сигнала необ-
необходимо освещение АОЯ расходящи-
расходящимися световыми пучками.
В брэгговском процессоре для сжа-
сжатия импульсного сигнала с линейной
частотной модуляцией (рис. 6) сжатие
сигнала происходит вследствие того,
что углы рассеяния для различных
частот света прямо пропорциональны
частоте звука, следовательно, ди-
дифрагированный свет . от всего осве-
освещенного участка будет попадать на
фотодетектор одновременно.
Процессор для определения функ-
функции взаимной корреляции
ф(<)= ) S(t~z)r(t)dt
— оо
приведён на рис. 7. Если в обоих
брэгговских модуляторах 1 и Г рас-
распространяются одинаковые акустич.
сигналы S (t) и r(t), то световые лучи,
прошедшие модуляторы, будут па-
параллельны падающему лучу. Свет
фокусируется линзой 2 на фотодетек-
фотодетекторе 3, сигнал с к-рого будет в этом
случае максимален. Если же акустич.
сигналы S(t) и r(t) неодинаковы, то си-
сигнал на выходе фотодетектора будет
пропорционален функции взаимной
корреляции.
Процессоры на основе различных
акустооптич. устройств могут рабо-
работать в очень широком диапазоне час-
частот, вплоть до 10 ГГц. Они находят
применение в различных устройствах
АКУСТООПТИКА
39
свойства матер и а
лов
Звук
тип
полны
L
L
S
L
L
L
S
L
L
S
S
L
L
L
L
L
L
L
L
L
S
L
L
направле-
направление рас-
простране-
пространения
[100]
[010]
[001]
[НО]
[001]
[100]
[001]
[100]
[001]
[001]
[001]
[1120]
[100]
[1101
[100]
[110]
[001]
ско-
скорость
е-Юз,
м/с
1,5
5,96
3,76
5,72
2,89
4,20
0,617
3,75
6,57
3,59
1,77
10,3
2,45
2,65
2,6
2,5
2,43
2,2
3,57
5,15
3,32
6,32
11,15
коэфф. погло-
поглощения на час-
частоте
/=500 МГц,
ссюо, дБ/см
500
3
2,2
0,75
2,5
4
77
2,5
0,045
0,5
0,62
0,15
7,1
25
42
7
<5
5
2,24
7,3
13
1,0
<0,08
Свет
длина вол-
волны в ваку-
вакууме
Хо, мкм
0,63
0,63
0,63
0,589
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
0,63
1,06
0,63
10,6
4,0
1,15
1,15
0,63
0,63
поляризация
Произвольная
х
|[ ИЛИ -L
[001]
±
II
[100]
Круговая
[100]
II
±
Произвольная
J-
ООыкновенная
±
Произвольная
»
II
|| ИЛИ -L
II
|| ИЛИ -L
II
II
направле-
направление рас-
простране-
пространения
[010J '
[001]
[010]
[0001]
[010]
[1120]
Акустооптиче-
ское качество
М2- К)-'8,
С3/г
160
1.56
0,4 6
2.38
83
80
34,5
793
35,6
7,0
2,9
9,9
1,52
953
380
433
246
1200
4400
190
104
46,3
44,6
0,34
ного лучей света в одноосных кристаллах; па, п<„ пс — три главных значения показателя
(см. Симметрия кристаллов); L и S — обозначения продольной и поперечной звуковых
нения звука.
обработки информации, в особеннос-
особенности там, где имеются ограничения на
Рис. 7. Акустооптпческий коррелятор:
1 и 1' — модуляторы; 2 — линза; 3 —
фотодетектор.
габариты, вес и энергопотребление
аппаратуры.
Акустооптические материалы. Акус-
тооптич. эффект имеет место во всех
без исключения средах. Однако для
практич. использования в акусто-
оптич. устройстве материал должен
удовлетворять ряду требований: он
должен быть прозрачным в соответст-
соответствующей области оптич. спектра, обла-
обладать достаточно большим значением
акустооптич. качества, слабо погло-
поглощать звук внутри рабочего интервала
акустич. частот. Кроме того, кристалл
должен быть достаточно больших раз-
размеров и хорошего оптич. качества.
В А. используются как жидкие,
так и твёрдые вещества. Жидкости
(вода и целый ряд органич. жид-
жидкостей) обладают очень высокими
значениями акустооптич. качества
(М2 ~ 102—103), но сильно погло-
поглощают звук на высоких частотах
(/ > 100 МГц). Твёрдые материалы
обладают значительно меньшим зву-
40
АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИИ ЭФФЕКТ
копоглощением, широким диапазоном
значений М2 и большим разнообра-
разнообразием оптич. свойств. Необходимые
данные об акустич., оптич. и акусто-
оптич. свойствах основных материа-
материалов, используемых в А., приведены
в таблице.
Лит : Б е р г м а н Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957; Б о р н М., Вольф Э., •
Основы оптики, пер. с англ., М., 1970; Фи-
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона и
Р. Терстона, пер, с англ., т. 7, М., 1974,
гл. 5; Т а к е р Д ж., Р э м п т о н В., Ги-
Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ.,
М., 1975; Гуляев Ю. В., Проклов
В. В., Ш к е р д и н Г. Н., «Успехи физич.
наук», 1978, т. 124, в. 1, с. 61—111; М у-
с т е л ь Е. Р., ПарыгинВ. Н., Методы
модуляции и сканирования света, М., 1970;
Р е б р и н Ю. К., Управление оптическим
лучом в пространстве, М., 1977; Н а й Д ж.,
Физические свойства кристаллов, пер.
с англ., 2 изд., М., 1967; Harris S. Е.,
W а 1 I а с е R. W., «J. Optical Soc. Amer.»,
1969, v. 59, p. 744—47.
В. M. Левин, В. И. Пустовойт.
АКУСТООПТИЧЕСКОЕ КАЧЕСТ-
КАЧЕСТВО материала — см. Дифрак-
Дифракция света на ультразвуке.
АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИИ ЭФ-
ЭФФЕКТ — возникновение постоянно-
постоянного тока или эдс в проводящей среде
(металл, полупроводник) под дейст-
действием бегущей УЗ-вой волны. А. э. яв-
является одним из проявлений взаимо-
взаимодействия ультразвука с электронами
проводимости. Появление тока свя-
связано с передачей импульса (и соот-
соответственно энергии) от УЗ-вой вол-
волны электронам проводимости. Это
приводит к направленному движению
носителей заряда — электрич. току
в направлении распространения зву-
звука. А. э.— одно из проявлений не-
нелинейных взаимодействий и анало-
аналогичен нек-рым другим нелинейным
эффектам увлечения, напр, акустич.
ветру (см. Акустические течения). Ло-
Локальные электрич. поля, возникаю-
возникающие в проводящей среде под дейст-
действием УЗ-вой волны, захватывают но-
носители заряда, что приводит к увле-
увлечению их волной — возникновению
акустоэлектрич. тока.
При взаимодействии акустич. волн
с электронами происходит передача
импульса от когерентного потока фо-
нонов (т. е. гиперзвуковой волны) га-
газу электронов проводимости. Каждый
фонон, взаимодействующий с элект-
электроном, передаёт ему импульс Ню/с
(со и с — круговая частота и ско-
скорость звука соответственно, h =
=h/2n, где h — Планка постоян-
постоянная). При этом электрон получает
дополнительную скорость Аие =
=йсо/ст в направлении распростране-
распространения звука (т — масса электрона) и
возникает электрич. ток, плотность
к-рого
/ае = enehve = ™?° , A)
где е — заряд электрона, пе ¦— чис-
число их в единице объёма. Если учесть,
что (х = хе/т — подвижность элект-
электронов (т — время между столкнове-
столкновениями), а / = Н&тфС — интенсивность
звуковой волны (пф — число фоно-
Рис. 1. Схемы измерений: а — акусто-
электрического тока; б — акустоэлектри-
ческой эдс; в — поперечного акустоэлект-
рического эффекта; 1 — кристалл CdS;
2 — металлические электроды; 3 — звуко-
проводы; 4 — излучающие преобразователи;
5 — приёмные преобразователи.
нов в единице объёма), и положить,
что ае = — • коэфф. электронно-
электронного поглощения УЗ в проводящей сре-
среде, то из A) получается универсаль-
универсальное соотношение для акустоэлектрич.
тока (соотношение Вайнрайха):
Более строго выражение для акус-
акустоэлектрич. тока можно получить,
усредняя по времени произведение пе-
переменной скорости электронов v^ на
переменную концентрацию в^, к-рые
возникают под действием звуковой
волны:
В короткозамкнутой цепи, состоя-
состоящей, напр., из кристалла CdS 1
(рис. 1, а) с металлич. электродами 2
на гранях, перпендикулярных на-
направлению распространения звука, и
АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
41
измерительного прибора, будет про-
протекать акустоэлектрич. ток, опреде-
определяемый соотношением B) или C).
Однако если цепь разомкнута
(рис. 1, б), то акустич. волна создаёт
на тех же электродах заряды, приво-
приводящие к появлению компенсирующе-
компенсирующего тока, и между электродами возни-
возникает акустоэлектрич. разность по-
потенциалов (акустоэде), напряжённость
поля к-рой будет:
ае " ос ' ' '
где а — проводимость среды.
Поскольку в кристалле, помимо
электронного, есть и другие виды
поглощения звука (решёточное по-
поглощение), характеризуемые коэфф.
а(), то акустоэлектрич. разность по-
потенциалов определяется выражением:
где I — длина кристалла, а = ae-f а0,
/0 — интенсивность звука на входе
В кристалл.
А. э. экспериментально наблюда-
наблюдается как в металлах, так и в полу-
полупроводниковых кристаллах. В обыч-
обычных полупроводниках (напр., Ge, Si)
и в металлах А. э. незначителен.
Однако в пьезополунроводниках
(напр., CdS, CdSe) сильное акусто-
акустоэлектрич. взаимодействие приводит
к тому, что величина Еае на 5—6
порядков больше, чем при тех же
условиях в Ge, и достигает несколь-
нескольких В/см при интенсивности звука
1 Вт/см2. Т. к. электронное поглоще-
поглощение звука сильно зависит от проводи-
Рис. 2. Зависи-
Зависимость акустоэлек-
трического напря-
напряжения С7ае ОТ ПРО-
ПРОВОДИМОСТИ кри-
кристалла а для раз-
различных интенсив-
ностей звука:
///
ранения звука. Напр., если в кри-
кристалле распространяются звуковые
импульсы (рис. 3), то при прохож-
прохождении звука справа налево акусто-
Рис. 3. Осциллограммы акустоэлектри-
ческих импульсов (акустоэде) в CdS при
распространении сдвиговой волны часто-
частотой 24 МГц; стрелки — направления
распространения звуковых импульсов.
электрич. импульсы положительны
(рис. 3, а), а при обратном направле-
направлении распространения звука — отри-
отрицательны (рис. 3, б).
Линейная зависимость /;1е и V\ш
от / позволяет применять А. э. для
измерения интенсивности звука,
а также для других УЗ-вых измере-
измерений, напр, для измерения частотных
характеристик пьезоэлектрических пре-
преобразователей. Однако линейное соот-
соотношение Вайнрайха B) выполняется
Рис. 4. Зависи-
Зависимость акустоэлек-
трпческого напря-
напряжения !7ае ОТ ИН-
тенсивности звука
I при различных
проводимостях:
<
мости кристалла а, то при её измене-
изменении меняется и С/ае. Исследовать зави-
зависимость акустоэде от проводимости
удобно в фотопроводящих кристаллах,
таких, как CdS, у к-рых a значитель-
значительно меняется при изменении освещён-
освещённости; при нек-ром значении a акус-
акустоэде имеет максимум (рис. 2).
Характерной особенностью А. э.
является изменение знака акустоэде
при перемене направления распрост-
распростлишь до определённой пороговой ин-
интенсивности звука, а затем наблюдает-
наблюдается насыщение акустоэде (рис. 4), к-рое
связано с электронной акустнч. не-
нелинейностью.
Наряду с продольным А. э. можно
наблюдать также и поперечный А. э.,
т. е. возникновение разности потен-
потенциалов на электродах кристалла, рас-
расположенных перпендикулярно на-
направлению распространения звука
42
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
(рис. 1, в). А. э. имеет место и для
упругих поверхностных волн. В этом
случае наряду с продольным возни-
возникает также поперечный акустоэлект-
рич. ток, направленный от поверх-
поверхности в глубь кристалла. Продоль-
Продольный акустоэлектрич. ток максимален
у поверхности кристалла и убывает
с глубиной, но не монотонно, ¦ а с ос-
щшляциями, что приводит к возник-
возникновению в образце круговых токов,
а следовательно, и магнитного мо-
момента.
Если к кристаллу, в к-ром рас-
распространяется УЗ-вая волна, прило-
приложено внешнее постоянное электрич.
поле Ео, создающее дрейф электро-
электронов в направлении распространения
УЗ (см. Усиление ультразвука), то
А. э. существенно зависит от соот-
соотношения скорости дрейфа электронов
vd и скорости звука с. Так, при
yd < с характер А. э. тот же, что и
при отсутствии дрейфа. При t><}^>с
А. э. меняет знак, причём в отличие
от эффекта усиления УЗ смена знака
происходит точно при Vd = с. Так
как vd = (х?0, то это явление исполь-
используется для измерения дрейфовой под-
подвижности носителей в пьезополупро-
водниках. Когда в пьезополупровод-
нике vd^> с, в нём возникает генера-
генерация фононов, что приводит к появ-
появлению неоднородности в распределе-
распределении электрич. поля, и А. э. резко
уменьшается.
А. э. находит применение для акус-
тич. измерений интенсивности УЗ
в твёрдых телах, частотных характе-
характеристик УЗ-вых преобразователей,
структуры звукового поля, а также
для исследования электрич. свойств
полупроводниковых кристаллов (из-
(измерения дрейфовой подвижности но-
носителей, величины акустоэлектрич.
взаимодействия) и для отбора крис-
кристаллов, предназначенных для усиле-
усиления УЗ, и др.
Лит.: Некоторые вопросы взаимодей-
взаимодействия ультразвуковых волн с электронами
проводимости в кристаллах, М., 1965; Б е-
л я е в Л. М. и др., «Кристаллография»,
1865, т. 10, в. 2, с. 252—55; Морозов
А. И., «Физика твердого тела», 1965, т. 7,
№ 10, с. 3070—78; Г у л я е в Ю. В. и д р.,
там же, 1970, т. 12, № 9, с. 2595—2601;
К м и т а А. М., М е д в е д ь А. В., «Пись-
«Письма в ЖЭТФ», 1971, т. 14, с. 455—58.
В. Е. Лямов.
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА - раздел
акустики, возникающий на стыке
акустики твёрдого тела, физики полу-
полупроводников и радиоэлектроники. А.
занимается исследованием принципов
построения УЗ-вых устройств для
преобразования и аналоговой мате-
матич. обработки радиосигналов. Воз-
Возможности такого использования
УЗ-вых волн обусловлены малой ско-
скоростью звука по сравнению со ско-
скоростью света и различными видами
взаимодействия УЗ-вых волн (напр.,
с электронами в кристаллах, нели-
нелинейными взаимодействиями), а также
малым поглощением УЗ-вых волн
в кристаллах (высокой добротностью
акустич. колебательных систем).
Акустоэлектронные устройства поз-
позволяют производить различные пре-
преобразования сигналов: во времени
(задержку сигналов, изменение их
длительности), частотные и фазовые
(сдвиг фаз, преобразование частоты
и спектра), изменение амплитуды
(усиление, модуляция), а также более
сложные функциональные преобра-
преобразования (интегрирование, кодирова-
кодирование и декодирование, получение
функций свёртки, корреляции сигна-
сигналов и т. д.). Выполнение таких
операций часто необходимо в радио-
радиолокации, технике дальней связи, си-
системах автоматич. управления, вычис-
вычислительных устройствах и др. радио-
радиоэлектронных устройствах. Акусто-
Акустоэлектронные методы в ряде случаев
позволяют осуществлять эти преобра-
преобразования более простым способом и
более рациональным с точки зрения
габаритов, веса, а иногда и стоимости
устройств. В нек-рых случаях акусто-
акустоэлектронные методы являются единст-
единственно возможными для осуществления
преобразований сигналов. С техноло-
гич. точки зрения акустоэлектрон-
акустоэлектронные устройства хорошо сочетаются
с современными методами производст-
производства в микроэлектронике, что позволяет
осуществлять их массовое производст-
производство и исключать операции настройки.
В устройствах А. используются
УЗ-вые волны высокочастотного диа-
диапазона и гиперзвуковые волны (от
10 МГц до 1,5 ГГц), как объёмные
(продольные и сдвиговые), так и по-
поверхностные. Преимущества поверх-
поверхностных акустич. волн — ПАВ (см.
Поверхностные волны) — малые поте-
потери на преобразование при их возбуж-
возбуждении и приёме (коэфф. преобразова-
преобразования можно получить близким к 100%),
доступность волнового фронта, что
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
43
позволяет снимать сигнал и управ-
управлять распространением волны в лю-
любых точках звукопровода, а также
управлять характеристиками уст-
устройств; поэтому большинство уст-
устройств выполняется на ПАВ.
Общие параметры устройств А.:
рабочая частота /, полоса частот Д/,
полные вносимые потери В и время об-
обработки сигнала т. Значения / и Д/
определяются характеристиками элек-
электроакустического преобразователя,
т — размерами звукопровода и ско-
скоростью звука, а В — потерями на
двойное преобразование и поглоще-
поглощением звука. Величина В опреде-
определяется в дБ из соотношения:
2В =201g (<7BX/tfBb]x), где UBX и 17ВЫХ-
напряжения на входном и выходном
преобразователях. Важным парамет-
параметром устройств А. является информа-
информационная ёмкость, определяемая как
tAf, где t — время задержки сигнала.
По физич. принципам, лежащим
в основе работы акустоэлектронных
устройств, их можно разделить на
пассивные линейные устройства, в
к-рых производится линейное пре-
преобразование сигнала (линии задерж-
задержки, фильтры и др.), активные линейные
устройства (усилители сигналов) и
нелинейные устройства, где проис-
происходит генерация, модуляция, пере-
перемножение и др. преобразования сиг-
сигналов. Наиболее распространены и
давно применяются пассивные устрой-
устройства.
Элементы акустоэлектроники. Как
отдельные устройства обработки сиг-
сигнальной информации, так и большие
многоканальные и многофункциональ-
многофункциональные системы создаются из отдельных
элементов. Основные элементы акус-
акустоэлектронных устройств — электро-
электроакустические преобразователи и зву-
копроводы. Кроме того, применяются
отражатели, резонаторы, многополос-
ковые электродные структуры, акус-
акустич. волноводы, концентраторы энер-
энергии и фокусирующие устройства,
а также активные элементы, нелиней-
нелинейные и управляющие элементы.
Для возбуждения и приёма объём-
объёмных волн в А. в основном используют-
используются пьезоэлектрические преобразовате-
преобразователи', пьезоэлектрич. пластинки (на час-
частотах до 100 МГц), пъезополупроводни-
ковые преобразователи (диффузионные
или с запирающим слоем, в диапа-
диапазоне частот 50 — 300 МГц), плёночные
преобразователи (на частотах выше
300 МГц). Гиперзвуковые волны часто
возбуждаются с поверхности пьезо-
пьезоэлектрич. звукопровода, торец к-рого
для этих целей помещают в зазор
СВЧ-резонатора или в СВЧ замедляю-
замедляющую систему (см. Гиперзвук). Для
возбуждения и приёма ПАВ исполь-
используются гл. обр. встречно-штыревые
преобразователи (рис. 1, а), представ-
Рис. 1. Элементы акустоэлектроники:
а — встречно-штыревой преобразователь
ПАВ; б — металлическая отражающая
решётка; в — система отражающих кана-
канавок.
ляющие собой периодич. структуру
металлич. электродов, нанесённых на
пьезоэлектрич. кристалл.
В качестве звукопроводов для
устройств А. применяются искусствен-
искусственно выращиваемые монокристаллы ди-
диэлектриков, пьезоэлектриков, полу-
полупроводников, в зависимости от назна-
назначения и характеристик устройства.
В большинстве случаев — это пьезо-
пьезоэлектрич. монокристаллы кварца,
ниобата лития, германата висмута,
отличающиеся хорошими пьезоэлект-
пьезоэлектрич. свойствами и высокой акустич.
добротностью. Для изменения направ-
направления распространения акустич. пуч-
пучка, что необходимо для увеличения
времени задержки сигнала, в УЗ-вых
линиях задержки и других устройст-
устройствах применяются отражатели. В слу-
случае объёмных волн — это хорошо отпо-
отполированные свободные плоские по-
поверхности монокристаллич. звуко-
звукопровода, в случае ПАВ — решётки
с периодом d из металлич. или ди-
электрич. полосок или канавок в зву-
копроводе (рис. 1, б, в), установлен-
установленные перпендикулярно или наклонно
к падающей волне. Интерференция
ПАВ от большого числа отражателей
позволяет получить высокий коэфф.
отражения Котр в узкой полосе
частот. Так, при 100 полосках К0Тр
достигает 98% в узкой полосе с цент-
центральной частотой /о = cal2d, где
сП — скорость ПАВ.
Отражение объёмных акустич. волн
От граней кристаллов позволяет со=
44
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
здавать пьезокристаллич. монолитные
или плёночные резонаторы. Наибо-
Наиболее широко используются кварцевые
резонаторы в диапазоне частот 0,5—
30 МГц. При качественном изго-
изготовлении и вакуумировании резона-
Рис. 2. Резо-
Резонансная струк-
структура на ПАВ
с одним пре-
преобразователем: 1 — преобравователь; 2 —
система отражателей (металлические элек-
электроды или канавки).
торов их добротность достигает
5-Ю5. Напылением тонких эпитак-
сиальных пьезоэлектрич. плёнок
CdS, ZnO или A1N на диэлектрич.
подложки создают резонаторы на час-
частоты до 10 ГГц.
Системы отражателей для ПАВ
позволяют создавать резонаторы с
добротностью до 104, низкими вноси-
вносимыми потерями (~ 5 дБ) в диапазоне
частот 30—1000 МГц. В этом случае
между отражателями 2 (рис. 2) созда-
создаётся стоячая поверхностная волна,
к-рая возбуждается и принимается
преобразователем 1. Добротность та-
мает лишь половину их апертуры
(канал I). При достаточной длине
МЭС это приводит к тому, что волна,
распространяющаяся в канале I, воз-
возбуждает связанную с ней моду коле-
колебаний в канале II, чем достигается
направленное ответвление волны.
МЭС позволяют создавать направлен-
направленные ответвите ли ПАВ, расширять и
сжимать пучки ПАВ, изменять траек-
траектории пучков, создавать эффектив-
эффективные отражатели ПАВ, однонаправлен-
однонаправленные преобразователи и т. д.
Частным случаем звукопроводов
являются акустические волноводы, но
к-рым может распространяться не
только волна нулевой моды, т. е.
с равномерным распределением ампли-
амплитуды по сечению, но и другие моды
б
Рис. 3. Многоэлектродные структуры для
ПАВ: а — направленный ответвитель;
б — отражатель; 1 — входной преобра-
преобразователь; 2 — выходной преобразователь;
з — многоэлектродная структура, перево-
переводящая волну из канала I в канал II; 4 —
многоэлектродная структура-отражатель.
кого резонатора определяется коэфф.
отражения ПАВ от отражателей и
её поглощением в звукопроводе.
Разновидностью отражателей для
ПАВ являются многополосковые
электродные структуры (МЭС), состоя-
состоящие из однородной незамкнутой пе-
риодич. системы металлич. полосок
(рис. 3), расположенных перпендику-
перпендикулярно направлению распространения
ПАВ. В МЭС падающая волна зани-
Рис. 4. Типы акустических волноводов
для ПАВ: а — выступ; б — канавка; в —¦
металлическая плёнка.
колебаний. Акустич. волноводы на
объёмных волнах представляют собой
полоски, ленты или проволоку, в
к-рых возбуждаются определённые
нормальные волны. Такие волноводы
служат в качестве линий задержки
на большие времена или в качестве
дисперсионных линий задержки, если
волноводы возбуждаются на модах,
обладающих заметной дисперсией.
В случае ПАВ волноводы представ-
представляют собой металлич. или диэлектрич.
полоски (рис. 4) определённых раз-
размеров и сечения. Волноводы служат
для канализации энергии ПАВ, изме-
изменения их направления распростра-
распространения, увеличения времени задерж-
задержки и т. д.
Концентраторы — звуко-
проводы переменного сечения, к-рые
служат для увеличения плотности
энергии УЗ-вых волн и для ввода
энергии в акустич. волноводы. Для
ПАВ — это металлич. или диэлект-
диэлектрич, полоска переменного сечения
(рис. 5).
В качестве активных эле-
элементов А. обычно используются
пьезополупроводниковые монокрис-
монокристаллы, пьезополупроводниковые плён-
плёнки или слоистые структуры: пьезо-
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
45
элсктрич. плёнка на полупровод-
полупроводниковой подложке или полупровод-
полупроводниковая плёнка (иногда кристалл)
на пьезоэлектрич. подложке. В актив-
активных элементах происходит взаимо-
взаимодействие ультразвука с электронами
Рис. 5. Кон-
Концентратор
ПАВ для воз-
возбуждения вол-
волновода: 1 —
преобразова-
преобразователь; 2 — кон-
концентратор;
3 — волновод.
проводимости, что позволяет их
использовать для усиления и гене-
генерации волн, для управления ампли-
амплитудой и фазой волн.
В качестве нелинейных эле-
элементов используются звукопро-
воды с большими нелинейными акус-
тич. параметрами, пьезополупровод-
никовые материалы и слоистые струк-
структуры, а также системы полупровод-
полупроводниковых диодов, включённых после-
последовательно или параллельно системе
электродов, нанесённых на поверх-
поверхность пьезоэлектрич. звукопровода.
В нелинейных устройствах могут ис-
использоваться различные механизмы
нелинейного взаимодействия'. упру-
упругое, пьезоэлектрическое, электро-
стрикционное и особенно акусто-
электронное. Нелинейные элементы
позволяют осуществлять операции пе-
перемножения акустич. сигналов и свя-
связанные с этим более сложные преоб-
преобразования сигналов.
Устройства акустоэлек-
троники. Перечисленные
элементы служат для соз-
создания различных устройств
А. К линейным пассивным
устройствам А. относят
устройства частотной филь-
фильтрации (фильтры), акусти-
акустические (УЗ-вые) линии за-
задержки, согласованные (оп-
(оптимальные) фильтры, или
дисперсионные линии за-
задержки, кодирующие и де-
декодирующие устройства.
Наибольшее распростране-
распространение получили акустич.
фильтры (пьезоэлектриче-
(пьезоэлектрические, электромеханические,
фильтры на объёмных вол-
волнах и ПАВ). Акустич.
фильтры находят широкое примене-
применение в различных системах связи
от радиовещания и телевидения до
космич. связи, радиолокации и др.
Они используются для отфильтро-
отфильтровывают нежелательных сигналов, по-
поступающих в устройство, для инте-
интегрирования (накапливания) сигнала
с определёнными характеристиками,
для изменения частотного спектра
сигнала. Фильтры на ПАВ отли-
отличаются простотой устройства, тех-
технологичностью , воспроизводимостью
характеристик, возможностью мас-
массового производства. Двумерность по-
поверхностных волн позволяет созда-
создавать фильтры с довольно сложными
частотными характеристиками, что
достигается подбором размеров и гео-
геометрии преобразователей. Типичные
внутренние потери в пределах полосы
пропускания для фильтров на ПАВ —
дБ и доли дБ, фазовые ошибки —•
Рис. 6. Акустические фильтры на ПАВ:
а,б — полосовые; в — заграждающие.
несколько градусов, а подавление
сигнала вне полосы и паразитного
сигнала составляет около 60 дБ.
В табл. 1 приведены типичные ха-
характеристики полосовых и заграж-
заграждающих фильтров, а на рис. 6 —
Табл. 1. — Акустич
Тип фильтра
Полосовые электро-
электромеханические , , ь
Полосовые монолит-
монолитные пьезоэлектри-
пьезоэлектрические . ,
Полосовые на ПАВ
Заграждающие на
ПАВ
Средняя
частота,
МГц
0,005 —
0,5
3—300
5-1000
20 — 30
е с к и е
Полоса
частот,
МГц
10-»-
5-10-г
з • ю-»—
0,3
0,05-
100
0,5 — 5
фильтры
Ослабление
сигнала в по-
полосе пропу-
пропускания, дВ
6-20
1—10
6-60
6-40
Подавление
паразитных
сигналов в по-
полосе заграж-
заграждения, дВ
60—80
30—80
20-60
40 — 70
46
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
схемы нек-рых типов акустич. филь-
фильтров.
Пьезоэлектрич. резонаторы высокой
добротности, введённые в контур ге-
генератора, служат для стабилизации
его частоты. Прецизионные кварце-
кварцевые резонаторы позволяют стабили-
стабилизировать частоту генератора до 10 ~10
за месяц. Такие стабилизаторы при-
применяют в эталонах времени и час-
частоты.
Акустич. линии задержки изготав-
изготавливаются на времена задержки от
нескольких не до десятков мс и раз-
различаются конструкцией, назначением,
рабочей частотой (от нескольких
МГц до нескольких ГГц). Диспер-
Дисперсионные линии задержки, или т. н.
согласованные фильтры, оптимизи-
оптимизируют отношение сигнал/шум. Если
фильтром обрабатывается сигнал
S (t), то импульсная характеристика
оптимального фильтра должна аовпа-
дать с обращенным во времешь-йдгна-
лом, т. е. иметь вид: п (t) = S(—t).
Такие фильтры применяются в радио-
радиолокации. В случае линейно частотно-
модулированных сигналов (ЛЧМ сиг-
сигналов) такими фильтрами являются
дисперсионные линии задержки ПАВ.
Оптимальные фильтры иногда наз.
фильтрами сжатия, поскольку они по-
позволяют сжать широкий ЛЧМ импульс
в узкий, при этом коэффициент сжа-
сжатия определяется произведением вре-
времени задержки t на полосу частот Д/
линии.
Активные устройства А.
Включение активных элементов
в акустич. линии задержки позволяет
усиливать акустич. сигналы (см.
Усиление ультразвука) и превращает
их в активные линейные устройства.
Характеристики усилителей на ПАВ
см. в табл. 2.
Табл. 2. —Параметры усили-
усилителей ультразвука на ПАВ
Структура усилителя
LiNbO3 + плёнка
Si на А12О3 ....
LiNbO3 + плёнка
InSb .........
LiNbOj + плёнка
InSb
Рабо-
Рабочая
часто-
частота,
МГц
140
г 600
1 200
300
Усиле-
Усиление,
ДБ
20
/ 50
1 60
25
Уро-
шумов,
ДБ
8
8—10
—
Для управления направлением рас-
распространения ПАВ разрабатываются
активные отражатели, основанные на
включении отрицательного импеданса
в отражающую решётку. Отрицатель-
Отрицательный индуктивный импеданс создают,
включая транзистор с определёнными
параметрами и режимом работы в цепь
отражающего встречно-штыревого
преобразователя.
Режим усиления УЗ дрейфом но-
носителей при нек-рых условиях (тон-
(тонкий кристалл, хорошо отражающие
поврехности, дрейфовое напряжение
выше критического) может быть пере-
переведён в режим генерации УЗ-вой
волны. Этот эффект используется для
создания акустоэлектронных генера-
генераторов монохроматич. сигналов и сиг-
сигналов со сложным спектром (рис. 7).
Рис. 7. Акустоэлектроаные генераторы
(о) и осцилляторы (б) на ПАВ: 1 — пла-
пластинка CdS с электродами; 2 — звукопро-
вод; з — преобразователи ПАВ; 4 —
транзисторный усилитель.
Однако наибольшее распространение
получили генераторы сигналов (т. н.
осцилляторы), в к-рых резонатор на
ПАВ включён в цепь обратной связи
транзисторного усилителя. Такие ге-
генераторы достаточно просты, мало-
малогабаритны и работают в диапазоне
частот от 20 МГц до 1,5 ГГц. Генера-
Генераторы обладают достаточной долговре-
долговременной стабильностью частоты (до
10~6) и устойчивой кратковременной
стабильностью. В них возможна элект-
электронная перестройка частоты или час-
частотная модуляция. Разрабатываются
программируемые генераторы, в кото-
которых легко осуществляется переход от
одной частоты к другой, при этом
стабильность частоты остаётся высо-
высокой.
Нелинейные устройст-
устройства А. Статические нелинейные эффек-
эффекты используются для управления ха-
характеристиками распространения волн.
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
47
Фазовая скорость ПАВ в пьезоэлект-
рич. кристаллах может в нек-рых
пределах изменяться при приложении
к кристаллу постоянного электрич.
напряжения или при изменении про-
проводимости полупроводниковой плён-
плёнки, нанесённой на поверхность пьезо-
электрика. Эти эффекты позволяют
управлять фазой ПАВ (соответст-
(соответствующие устройства наз. фазовращате-
фазовращателями), а также частотой осциллято-
осцилляторов. Динамич. нелинейные эффекты
позволяют перемножать акустич. сиг-
сигналы, производить акустич. детек-
детектирование, преобразование частоты и
другие более сложные преобразова-
преобразования сигналов. Нелинейное взаимо-
взаимодействие двух акустич. волн с ампли-
амплитудами |j и |2 и частотами (% и ш2
порождает третью (результирующую)
волну с амплитудой |3 ~ r|jg? (см.
Нелинейное взаимодействие в твёрдых
телах). Коэфф. пропорциональности
Г — нелинейный акувчмч. параметр,
определяется видом акустич. нели-
нелинейности. В общем случае частота
результирующей волны
ш3 = n<oj -{- тш2, п, m = 1, 2, 3, ... A)
Нелинейные взаимодействия воз-
возможны как при попутном, так и при
встречном распространении акустич.
волн, а также если их направления
распространения пересекаются под
нек-рым углом в пространстве (некол-
линеарные взаимодействия). Для со-
создания акустоэлектронных устройств
наиболее часто используется встреч-
встречное взаимодействие акустич. волн,
к-рое позволяет производить нек-рые
функциональные преобразования сиг-
сигналов — операции свёртки и корреля-
корреляции. Соответствующие устройства наз.
конволюторами, или кон-
вол ь в е р а и и. Математич. пре-
преобразование свёртки состоит в вы-
вычислении интеграла по времени t
от произведения двух функций Ft
и Ft (сигналов), причём одна из
функций задерживается на перемен-
переменное время задержки т, т. е. функция
свёртки
ос
V (t) = J Ft (т) Ft (t - т) dx. B)
—оо
При распространении акустич. сигна-
сигналов навстречу друг другу время за-
задержки между ними автоматически
меняется от 1/2с (где с — скорость
волны, I — длина звукопровода) до
нуля, когда сигналы встречаются
в звукопроводе. Если при этом не-
нелинейные взаимодействия встречных
волн позволяют получать произве-
произведение сигналов, а распределённая
вдоль направления распространения
волны системы съёма — его проин-
проинтегрировать, то такое акустич. уст-
устройство будет производить операцию
свёртки.
Для выполнения этой операции ча-
чаще всего используется встречное не-
нелинейное взаимодействие ПАВ в слои-
слоистой структуре пьезоэлектрик — полу-
полупроводник (рис. 8). Преобразователи
Вход!
ш
в Выход Vca
5 2
Вход 2
Рис. 8. Устройство свёртки аа ПАВ в слои-
слоистой структуре пьезоэлектрик — полу-
полупроводник: 1,2 — входные преобразова-
преобразователи; S — пьезоэлектрический звукопро-
вод; * — полупроводниковая пластинка;
5 — параметрический электрод; 6 — вы-
выход.
1 и 2 излучают сигналы на частоте
со навстречу друг другу. При этом
электрич. поля, сопровождающие ПАВ
в пьезоэлектрич. звукопроводе 3, со-
создают в граничащей с ним полупро-
полупроводниковой (обычно кремниевой) плас-
пластинке 4 поперечный ток:
/I = ef*K?_ + re_?+), C)
где е — заряд электрона, (х — под-
подвижность носителей заряда, п+ и
Е^ — волны плотности зарядов и на-
напряжённости электрич. поля, создан-
созданные волной, бегущей вправо, а ге_ и
Е_ — волной, бегущей влево. п± и
Е ± пропорциональны амплитуде акус-
акустич. волны. Для анализа встречного
взаимодействия акустич. волн поль-
пользуются дисперсионной диаграммой
(рис. 9), полученной в соответствии
с правилами сложения векторов, в ко-
координатах: со — частота, к — волно-
волновой вектор. Волнам, бегущим вправо,
соответствует вектор (oilt к,), а вол-
волнам, бегущим влево,— вектор (а>2, к?),
наклон векторов определяется фа-
фазовой скоростью волны. Если частоты
взаимодействующих волн одинаковы,
взаимодействие наз. вырожденным
(рис. 9, а); в этом случае для вектора
результирующего сигнала к = 0 и
Ф3 = 2со. Это означает, что в прост-
48
АКУСТОЭЛ ЕКТРОН ИКА
ранстве взаимодействия имеется одно-
однородный ток с частотой 2а>. Этот ток
интегрируется параметрич. электро-
электродом 5 (рис. 8), и сигнал с частотой
2а> поступает на приёмное устройство.
О»э,*э)
Рис. 9. Дисперсионные диаграммы встреч-
встречного взаимодействия акустических волн:
а — вырожденное взаимодействие; б —
невырожденное взаимодействие.
При этом результирующий сигнал
свёртки
оо
FCB Bт) = j F, (т) V2 B* - т) «ft, D)
где Ft (т) и V2 (т) — огибающие
взаимодействующих акустич. волн.
В отличие от математич. определения
операции свёртки B) при акустич.
свёртке D) образуется сигнал, сжатый
в два раза во времени вследствие
встречного распространения акустич.
волн. В случае прямоугольной формы
огибающих взаимодействующих сигна-
сигналов результирующий сигнал — тре-
треугольник (рис. 10, а), а при взаимо-
л
А
Л
п п
п п
Рис. 10. Форма выходного сигнала при
свёртке: о — двух прямоугольных и б —
двух пар прямоугольных импульсов.
действии двух пар прямоугольных
импульсов — трезубец (рис. 10, б).
Если частоты взаимодействующих
волн различны (рис. 9, б), то выход-
выходной сигнал можно получить на сум-
суммарной или разностной частоте, но
при этом параметрич. электрод дол-
должен быть не сплошным, а иметь период
где знак -f- берётся для сигнала раз-
разностной частоты, а знак — для сум-
суммарной, А,х и А,2 — длины взаимодейст-
взаимодействующих волн. Такое устройство
свёртки наз. невырожденным. В слу-
случае симметричных сигналов свёртка
совпадает с автокорреляционной функ-
функцией.
Устройство, показанное на рис. 8,
позволяет производить и нек-рые дру-
другие интегральные преобразования
акустич. сигналов. Если на входной
преобразователь 1 подаётся сигнал
V1 (t) и в момент, когда он проходит
под иараметрич. электродом 5, на
последний подать б-импульс (или
очень короткий радиоимпульс), то
в направлении к преобразователю 1
побежит обратная волна — сигнал
V2 (t), представляющий собой ин-
инвертированный (обращенный) во вре-
пп
пп
Рис. 11. Обращение акустического сиг-
сигнала во времени в устройстве свёртки:
а — входной сигнал; б — накачка — 6-
импульс; в — выходной сигнал.
мени сигнал V± (t), т. е. V2 (t) =
= Vx (—t). Например, если сигнал
Vx (t) представляет собой пару из
короткого и длинного импульсов
(рис. 11), то в сигнале V2 (t) короткий
и длинный импульсы меняются мес-
местами.
Помимо устройств свёртки в радио-
радиолокации, в системах автоматич. управ-
управления необходимы устройства, позво-
позволяющие получать функцию корреля-
корреляции двух сигналов:
оо
= J
t. E)
Рассмотренное ранее устройство
свёртки позволяет получить функ-
функцию корреляции сигналов, если один
из сигналов предварительно обратить
во времени. Для этого можно исполь-
использовать систему из двух устройств
свёртки (рис. 12), первое из к-рых
обращает один из сигналов во времени,
а второе даёт свёртку обращенного
во времени сигнала со вторым сигна-
сигналом, к-рая является функцией кор-
корреляции двух первоначальных сигна-
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
49
лов. При этом встречное взаимодейст-
пие приводит к тому, что сигнал кор-
корреляции снова будет сжат в два раза.
Ш)
S///////J
Рис. 12. Схема получения функции кор-
корреляции акустических сигналов системой
из двух устройств свёртки.
Напряжение сигнала на выходе
устройства свёртки определяется вы-
выражением:
^св = х Vwisw2a, F)
где М — параметр нелинейности,
А — апертура акустич. пучка, Wl&
н W2a — акустич. мощности взаимо-
взаимодействующих сигналов. Т. к. при
свёртке выходной сигнал пропорцио-
пропорционален произведению входных сигна-
сигналов, то такое устройство свёртки
нельзя характеризовать потерями
и дБ, как линейные устройства (линии
задержки или фильтры). Для нелиней-
нелинейных устройств вводят фактор потерь
С в размерных децибелах—децибелах
на милливатт (сокращённо дБм). При
:)том различают внутренние потери:
и внешние потери:
Св
= 10 !g \w7W7j '
\w7W
где Ws — мощность сигнала свёртки,
Wlg и ТУ2Э — электрич. мощности
входных сигналов, причём все мощ-
мощности выражаются в милливаттах.
Согласно табл. 3, наиболее эффек-
эффективными, т. е. обладающими мень-
меньшими внутренними потерями, являют-
являются устройства свёртки, в к-рых ис-
используется взаимодействие ПАВ в сло-
слоистой структуре пьезоэлектрик — по-
полупроводник.
В структурах пьезоэлектрик—полу-
пьезоэлектрик—полупроводник наряду с операцией свёрт-
свёртки или корреляции осуществляют
также сравнительно долговременное
запоминание акустич. сигналов; та-
такие устройства наз. устройствами аку-
акустич. памяти. Запоминание акустич.
сигналов обусловлено наличием цент-
центров захвата электронов в полупровод-
полупроводнике и особенностью нелинейного
взаимодействия волн. Согласно дис-
дисперсионной диаграмме (рис. 9), раз-
разность взаимодействующих волн
(Ви ki) и (o)g, к2) даёт сигнал с часто-
частотой ш3 = 0 (т. е. постоянный ток
в течение времени взаимодействия
волн) и волновым вектором к3 = 2к —
это означает, что ток неоднороден
в пространстве. Неоднородный в про-
пространстве постоянный ток создаёт
объёмный неоднородный заряд на при-
примесных состояниях (центрах захва-
захвата) полупроводника, соответствующий
форме акустич. сигнала, к-рый будет
существовать до тех пор, пока тепло-
тепловые процессы не выравняют это не-
неоднородное распределение. Т. о., вре-
время памяти определяется временем
релаксации для примесных состояний
полупроводников. Использование ле-
легированного кремния позволяет за-
запоминать акустич. сигналы на время
в несколько сотен мкс, а сернистого
Т а б
Материал
LINbOs..„,,» .. .
LiNbO3 . .
Керамика Р2Т . . .
(MS «, , . .
LiNbO3 + Si .....
LiNbO3 + CdSe » . .
ljiNbO3 -f диоды . e >
л. 3. -
Рабо-
Рабочая
часто-
частота,
МГц
1350
102
22
52
105
123 и
132
67 и 97
- П а р э
Поло-
Полоса час-
частот,
МГц
14
30
1
7,5
5
5
10
метр
Время
инте-
гриро-
грирования,
мкс
8
3,6
6,8
8,7
2,5
5
8
ы у с т р о й с
Дина-
миче-
мический
диапа-
диапазон,
дв
50
70
—
66
80
Внут-
Внутренние
поте-
потери,
дБм
-60
-70
— 30
— 64
-47
-16
-35
гв свёртки
Примечание
Объёмные волны, вырожден-
вырожденная схема
ПАВ, вырожденная схема
» »
» »
ПАВ, вырожденная схема,
слоистая структура
ПАВ, невырожденная схема,
слоистая структура
ПАВ, невырожденная схема,
диодная структура
50
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
кадмия — до 10 мс. Охлаждение крис-
кристалла дополнительно увеличивает
время памяти. Считывание запомнен-
запомненного сигнала осуществляется подачей
на параметрич. электрод 5 (рис. 13)
I, T
///мм//
Рис. 13. Схема устройства акустической
памяти: 1 — входные преобразователи;
2 — выходной преобразователь; з — зву-
копровод — пластина LiNbO3; 4 — полу-
полупроводниковая пластина (Si или CdS)
с параметрическим электродом 5.
сигнала на удвоенной частоте (корот-
(короткого считывающего импульса). За-
Запомненный сигнал снимается выход-
выходным преобразователем 2. Устройство
памяти позволяет не только запо-
запоминать сигнал, но и проводить его
корреляционную обработку.
Сигнал свёртки, как и сигнал акус-
тич. памяти, зависит от проводимости
полупроводника. Неоднородность про-
проводимости изменяет форму выходного
сигнала, поэтому по его форме можно
акустич. методами контролировать од-
однородность электрич. параметров по-
полупроводниковых материалов, а по
сигналу памяти — измерять время ре-
релаксации примесных состояний.
Сравнительно медленное распрост-
распространение акустич. волн позволяет при-
применять их для сканирования оптич.
изображений и преобразования их
в электрич. сигнал, для замены и
У/////У/
Рис. 14. Схема устройства для скани-
сканирования и преобразования оптического
изображения акустическим методом: 1 —
входные преобразователи; 2 — фоточув-
фоточувствительная полупроводниковая пластина
(Si или CdS) с полупрозрачным электро-
электродом 3; 4 — пьезоэлектрический звукопро-
вод (LiNbO3); S — оптическая лиаза;
в — оптическое изображение предмета 7.
миниатюризации передающих теле-
телевизионных трубок. Для этой цели
могут использоваться акустоэлектри-
ческий эффект, эффекты свёртки и
памяти. При освещении фоточувстви-
фоточувствительного полупроводника 2 в устройст-
устройстве свёртки (рис. 14) распределение
освещённостей в оптич. изображении
предмета 6 даст распределение прово-
проводимости в кристалле. Если в такой
структуре производить свёртку корот-
короткого и длинного акустич. импульсов,
то короткий сигнал будет как бы ска-
сканировать распределение освещённости
и выходной сигнал будет представ-
представлять собой развёртку освещённости
пластинки — сигнал оптич. изображе-
изображения (одна строка). Используя меха-
нич. развёртку по второй координате
(перемещая либо кристалл, либо изо-
изображение), можно получить развёртку
всего кадра.
Лит.: Пирогов Б. Н. и др., «Изв.
ВУЗов. Радиоэлектроника», 1976, т. 19,
JM» 3, с. 3—14; Поверхностные акустические
волны — устройства и применения, [пер.
с англ.], «ТИИЭР», 1976, т. 64, м 5; К о р-
ш а к Б. А., Л я м о в В. Е., С о л о д о в
И. Ю., «Письма в ЖЭТФ», 1976, т. 23, № 8,
с. 438—41; Кантор В. М., Монолитные
пьезоэлектрические фильтры, М., 1977;
Каринский С. С, Устройства обработ-
обработки сигналов на ультразвуковых поверхно-
поверхностных волнах, М,, 1975. В. Е, Лямов.
АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЗАИ-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — то же, что взаимо-
взаимодействие ультразвука с электронами.
АМПЛИТУДА колебаний —
наибольшее значение А величины х.,
совершающей гармоническое колеба-
колебание х = Л cos (ш + ф), где со — кру-
круговая частота, t — время, ц> — на-
начальная фаза колебания. Эффектив-
Эффективное значение жэфф колеблющейся
величины связано с её А. соотноше-
соотношением ждфф = А1Л/2. При записи ко-
колебаний в комплексном виде
i = ie-VM величину Ae'l!> наз.
комплексной А. При сложении гармо-
нич. колебаний одинаковой частоты
комплексные А. составляющих коле-
колебаний, рассматриваемые как векторы,
складываются геометрически. Термин
«А.» применяют условно и к колеба-
колебаниям, мало отличающимся от гармо-
гармонических («переменная» А.). В бе-
бегущей плоской гармонич. волне А.
одинакова во всех точках, в сфери-
сферической волне — убывает по мере уда-
удаления от центра, в неоднородной
плоской волне — экспоненциально
меняется вдоль фронта. В стоячей
плоской волне А. меняется от точки
БИЕНИЯ
51
к точке по синусоидальному закону.
В рупорных концентраторах А. стоя-
стоячей волны дополнительно нарастает
к сужающемуся концу. А. колеб-
колеблющихся величин в бегущей плоской
волне пропорциональны корню квад-
квадратному из плотности потока энергии
(интенсивности звука) /; при фикси-
фиксированном значении / А. звукового дав-
давления и колебательной скорости час-
частиц не зависят от со; А. смещений
обратно пропорциональна со; А. уско-
ускорений прямо пропорциональна оз.
В воздухе при / = 1 эрг/см2-с А,
звукового давления и скорости частиц
равны приблизительно 9 дин/см2
@,9 Па) и 0,21 см/с. В воде при
/ = 1 Вт/см2 соответственные величи-
величины равны приблизительно 1,7 атм
A,7-Ю' Па) и 11 см/с. Максимальная
А. смещений рабочего конца УЗ-вых
инструментов составляет несколько
десятков мкм при частотах в несколько
десятков кГц. А. ускорения частиц
в УЗ-вой волне в воде при частоте
1 МГц и / = 1 Вт/см2 составляет
около 7-104g G-107 см/с).
М. А. Исаковия.
Б В
БИЕНИЯ — квазипериодические из-
изменения амплитуды колебания, обра-
образующегося при сложении двух гармо-
гармонических колебаний с близкими часто-
частотами Шу и (в2, т. е. при условии, что
б
l°>i —
2 р у,
Щ- Б. обусловлены из-
изменением с течением времени разности
фаз составляющих колебаний. Ре-
Результирующее колебание — квазигар-
квазигармоническое (см. рис.) со средней
частотой (ыу + ш2)/2 и амплитудой,
изменяющейся от значения, равного
сумме амплитуд составляющих ко-
колебаний, до значения, равного их
разности:
At cos wxt + A2 cos u>2t =
= (At + Аг) cos -
— (A1 — A2) sin ¦
t cos ^
t -
Период Б. равен 2я/ ^ — оэ2|; число
циклов квазигармонич. колебания,
укладывающихся на одном периоде,
равно Tj~ (Ш1 ~Ь Ш2)/ I03! — Gbl- Наб-
Наблюдение Б. позволяет измерять с боль-
большой точностью малые разности частот
двух гармонич. колебаний, а также
устанавливать равенство частот, отме-
отмечая спадение частоты Б. до нуля
(т. н. нулевые Б.).
В колебательной системе, выводи-
выводимой из состояния покоя гармониче-
гармонической вынуждающей силой, имеющей
частоту, близкую к собственной час-
частоте системы, возникают Б. между
•w/wwwww
'Wvwwvm
Биения (в),
возникающие
при наложе-
наложении двух
близких по
частоте коле-
колебаний а и б.
собственными и вынужденными ко-
колебаниями. Характерная картина Б.
наблюдается при свободных колеба-
колебаниях двух связанных систем с рав-
равными парциальными частотами при
слабой связи. В этом случае имеются
два нормальных колебания близких
частот, образующих Б. в каждой
из связанных систем. Т. к. одно ко-
колебание происходит в обеих системах
синфазно, а другое — противофазно,
то максимальная амплитуда Б. в одной
из систем достигается при минималь-
минимальной амплитуде Б. во второй системе,
а энергия колебаний попеременно пе-
перекачивается из одной системы в др.
Пространственными Б. наз. квази-
квазипериодическую по координате интер-
интерференционную картину, образующую-
образующуюся при сложении двух синусоидаль-
синусоидальных волн с близкими длинами волн,
бегущих в одном направлении. Прост-
Пространственные Б. перемещаются в том
52
БОЛЬЦМАНА ПОСТОЯННАЯ
же направлении, что и составляющие
их волны, а в каждой данной точке
пространства наблюдаются при этом
временные Б.
Лит.: Стретт Дш, В. (лорд Рэлей),
Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1, М.,
1955; Г о р е л и к Г. С, Колебания и вол-
волны, 2 изд., М., 1959, гл. 2, §5; Стрел-
ко в С П., Введение в теорию колебаний,
2 изд., М., 1964. М. А. Исакович.
БОЛЬЦМАНА ПОСТОЯННАЯ —
одна из основных физич. постоянных,
равная отношению газовой постоян-
постоянной R (где R = pV/T, p — давление,
V — объём, Т — темп-pa идеального
газа) к числу Авогадро Na (число
молекул в грамм-молекуле любо-
любого вещества). Б. п. къ = RINa =
= A,380622 ± 0,000044)-Ю3 Дж/К=
= A,380622 ± 0,000044)-Ю-1" эрг/К.
Б. п. входит во все формулы, описываю-
описывающие распределение микрочастиц (элек-
(электронов, атомов, молекул) по энергиям.
ВЬЕРКНЕСА СИЛЫ — см. Пон-
деромоторные силы в звуковом поле.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРА-
УЛЬТРАЗВУКА С ЭЛЕКТРОНАМИ ПРОВО-
ПРОВОДИМОСТИ в металлах и полу-
полупроводниках (а куст о-
электронное взаимодей-
взаимодействие — АЭВ). Взаимодействие
акустич. волн с электронами проводи-
проводимости в металлах и полупроводниках
обусловлено тем, что смещение ато-
атомов кристаллич. решётки, вызванное
УЗ-вой волной, приводит к измене-
изменениям внутрикристаллич. электрич. по-
полей, к-рые и оказывают влияние на
движение электронов проводимости.
В свою очередь, изменение состояния
электронов проводимости или их дви-
движение по кристаллу также приводит
к нек-рым изменениям внутрикристал-
внутрикристаллич. полей, а следовательно, и к де-
деформации решётки, что может про-
проявляться как изменение параметров
акустич. волны.
Акустич. волны в кристалле (осо-
(особенно гиперзвук с частотами —1010—
1013 Гц) можно рассматривать как
поток когерентных фононов. Кроме
того, любое твёрдое тело при темпе-
температуре, отличной от абсолютного ну-
нуля, «наполнено» тепловыми колебания-
колебаниями (см. Колебания кристаллической
решётки) — газом фононов. Свобод-
Свободные электроны в кристалле обычно
рассматривают как газ электронов.
Внешнее электрич. поле создаёт в про-
проводящем кристалле поток электро-
электронов — электрич. ток. Т. о., в твёр-
Т а б л. 1. — Эффекты и свойства
твёрдых тел, обусловленные
взаимодействием ультразву-
ультразвука с электронами проводи-
проводимости
В
<тро
Эле1
К
о
о
с
п
ев
Фононы
поток
Усиление УЗ
Генерация звука
Акустоэлектриче-
ский аффект
Электронное пог-
поглощение УЗ
Электронная дис-
дисперсия звука
Акустоэлектриче-
ский эффект
Электронная аку-
акустическая нели-
нелинейность
газ
Электросопротив-
Электросопротивление
Генерация шумов
Нелинейность
вольт-амперных
характеристик
Теплоёмкость
Теплопроводность
Магнитные свой-
свойства
—
дом теле можно рассматривать систе-
системы фононов (газ и поток) и электронов
(газ и поток), к-рые взаимодействуют
друг с другом. Это взаимодействие при-
приводит к ряду эффектов (см. табл. 1).
При АЭВ происходит обмен энер-
энергией и импульсом между электронами
и фононами. Передача энергии от
УЗ-вой волны электронам проводи-
проводимости приводит к электронному погло-
поглощению звука, а передача импульса —
К акустоэлектрическому эффекту.
При определённых условиях, когда
скорость дрейфа электронов больше
скорости звука, электроны могут отда-
отдавать свою кинетич. энергию УЗ-вой
волне. В этом случае наблюдается
усиление ультразвука дрейфующими
носителями заряда.
Механизм АЭВ. В зависимости от
типа кристалла можно рассматривать
следующие механизмы АЭВ.
1. Чисто электромагнитное (ионное)
взаимодействие наблюдается в твёрдых
телах, атомы к-рых ионизированы
или в к-рых имеется высокая плот-
плотность ионизированных примесей.
Акустич. волна смещает ионы из
положения равновесия, в результате
чего возникает ионный ток, вызы-
вызывающий электрич. поле, действующее
на электроны проводимости. При этом
сила, действующая на электроны, про-
пропорциональна амплитуде смещения
частиц в акустич. волне и^ кон-
концентрации положительных ионов п.о
и не зависит от частоты звука (см.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ЭЛЕКТРОНАМИ ПРОВОДИМОСТИ
53
Табл. 2, —Силы взаимодействия
ультразвука с электронами
проводимости при различных
механизмах А Э В
Механизм
взаимодействия
Ионный
Потенциал-деформа-
Потенциал-деформационный
Пьез оэлектрический
Пропорциональный
внешнему полю . .
С неоднородной де-
деформацией .»,...
Силы взаимо-
взаимодействия F
F=kKnoe2u
F=h'D и
F=eea$$ku
F=ehe'Es,u
Fi=ek'fiu
Зависи-
Зависимость
от час-
частоты со
-со0
-со2
-— со
—' (О
~со!
табл. 2). Этот механизм взаимодейст-
взаимодействия проявляется в металлах (медь,
олово, кадмий, свинец), полуметал-
полуметаллах (висмут) и нек-рых полупровод-
полупроводниках на относительно низких час-
частотах (ниже 107 Гц).
2. Потенциал-деформационное взаи-
взаимодействие обусловлено зонной струк-
структурой твёрдых тел и возникает вслед-
вследствие того, что деформация кристал-
лич. решётки приводит к локальным
изменениям ширины запрещённой зо-
зоны полупроводника (см. Деформа-
Деформационный потенциал). В результате
под действием волны образуются
области пониженной и повышенной
плотности зарядов, между к-рыми
возникает электрич. поле, действую-
действующее на электроны проводимости. Сила
потенциал-деформационного взаимо-
взаимодействия пропорциональна квадрату
волнового вектора звуковой волны
k, т. е. квадрату частоты. Она опре-
определяется константой потенциал-дефор-
потенциал-деформационного взаимодействия D\h, к-рая
является тензором и в свою очередь
зависит от направления распростране-
распространения и поляризации звуковой волны.
Потенциал-деформационное взаимо-
взаимодействие существенно на высоких час-
частотах в полуметаллах (висмут, сурь-
сурьма, мышьяк) и в не полярных полупро-
полупроводниках (германий, кремний и др.).
3. Пьезоэлектрич. взаимодействие
наблюдается в полупроводниковых
кристаллах без центра симметрии —
в пьезоэлектрич. полупроводниках
(см. Пьезоэлектричество), в к-рых
деформация сопровождается появле-
появлением электрич. поля и, наоборот,
электрич. поле вызывает деформа-
деформацию кристалла. При деформациях в
УЗ-вой волне возникает сила, дейст-
действующая на электроны проводимости,
к-рая пропорциональна волновому век-
вектору звуковой волны k (и, следова-
следовательно, частоте) и пьезоэлектрич. по-
постоянной кристалла еэфф для данного
направления и поляризации звука.
На частотах до нескольких ГГц пьезо-
пьезоэлектрич. взаимодействие является
преобладающим. Пьезоэлектрич. взаи-
взаимодействие имеет место в полупровод-
полупроводниковых кристаллах группы A"BVI
(CdS, CdSe, ZnS, ZnO и др.) и группы
Аш Bv (GaAs, GaSb, InSb и др.) для
нек-рых определённых направлений
распространения звуковой волны и
поляризации звука.
4. В кристаллах сегнетоэлектриков
с большой диэлектрич. проницаемостью
е (напр., SbSI) сила взаимодействия
пропорциональна внешнему постоян-
постоянному электрич. полю Ео вследствие
эффекта электрострикции. Этот меха-
механизм взаимодействия обусловлен тем,
что из-за деформации кристалла
в акустич. волне его диэлектрич.
проницаемость меняется пропорцио-
пропорционально постоянной электрострикции
г'. При этом звуковая волна, рас-
распространяющаяся по кристаллу, со-
сопровождается электрич. полем, про-
пропорциональным г'Еа. Следовательно,
сила, действующая на свободные
электроны, пропорциональна волно-
волновому вектору k и внешнему электрич.
полю Ео, т. е. механизмом взаимо-
взаимодействия можно управлять, меняя
внешнее поле.
5. При неоднородной деформации
непьезоэлектрич. кристаллов, вы-
вызванной прохождением УЗ-вой вол-
волны, нарушается симметрия кристал-
лич. решётки и возникает поляриза-
поляризация, пропорциональная градиенту де-
деформации. Сила взаимодействия при
этом пропорциональна квадрату вол-
волнового вектора звуковой волны k
и постоянной неоднородной деформа-
деформации р. По порядку величины и по
частотной зависимости это взаимо-
взаимодействие сходно с потенциал-дефор-
потенциал-деформационным.
6. В кристаллах ферромагнетиков
возможно ещё и магнитострикцион-
ное взаимодействие, обусловленное
тем, что деформация кристалла сопро-
сопровождается изменением намагничен-
намагниченности и появлением магнитного поля.
Сила взаимодействия в этом случае
пропорциональна магнитострикцион-
ной константе и не зависит от частоты
звука. Этот механизм характерен для
54
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ЭЛЕКТРОНАМИ ПРОВОДИМОСТИ
ферромагнитных металлов, таких, как
железо, никель, кобальт.
Экранирование. Действие
рассмотренных выше сил (сил не-
непосредственного воздействия акустич.
волны на электрон проводимости)
вызывает электронные токи, к-рые
в свою очередь приводят к появлению
новых электромагнитных полей, умень-
уменьшающих силу F. Эти токи как бы экра-
экранируют силу электрон-фононного
взаимодействия. Отличие результирую-
результирующей силы электрон-фононного взаимо-
взаимодействия Fp от силы F определяется
частотой акустич. волны со и прово-
проводимостью кристалла а:
F¦ =F(i + i±™.y\ A)
Р I ' со I к '
Т. о., экранирование, помимо изме-
изменения величины силы взаимодействия,
приводит к изменению её частотной
зависимости. Экранирование — про-
процесс коллективный, в к-ром прини-
принимают участие все электроны. В то же
время это релаксационный процесс,
т. к. на установление результирующей
силы требуется нек-рое время т„ —
максвелловское время релаксации,
связанное с релаксационной частотой
сос соотношением:
тм = 2я/сое = г/а. B)
При рассмотрении АЭВ следует также
учитывать дебаевское экранирование,
обусловленное поляризацией среды,
т. е. разделением зарядов, умень-
уменьшающим результирующее электрич.
поле. Этот процесс характеризуется
дебаевским радиусом экранирования:
где Т — абсолютная темп-pa, кв —
Больцмана постоянная, пе — кон-
концентрация электронов.
Для электронного газа важными ха-
характеристиками являются время т
между столкновениями электронов
(или частота их столкновений v =
= Vt) и длина свободного пробега
le = vex, где ve ~ 108 см/с — тепло-
тепловая скорость электронов. Учёт соот-
соотношения этих параметров электрон-
электронного газа с параметрами УЗ-вой вол-
волны (частотой со и длиной волны Кг
или волновым числом к — -Д) по-
зволяет выделить три характерные
области взаимодействия (см. табл. 3).
В длинноволновой области I УЗ-вая
Табл. 3. —Характерные
частотные области взаимодей-
взаимодействия ультразвука с электро-
электронами
I
сот< 1
kle< 1
II
ЮТ < 1
kU > 1
III
СОТ > 1
ft*e>l
волна может рассматриваться как
модулирующее внешнее воздействие,
к-рое изменяет распределение элект-
электронов. Процессы здесь описываются
классич. уравнениями, поэтому эту
область часто наз. гидродинамической.
В высокочастотной области III элект-
электроны и фононы можно рассматривать
как взаимодействующие квазичасти-
квазичастицы — это т. н. квантовая область.
Эти общие свойства АЭВ характерны
для всех эффектов, рассмотренных
в табл. 1. Одним из существенных
признаков АЭВ в кристаллах явля-
является электронное поглощение УЗ,
к-рое определяется как характеристи-
характеристиками кристалла, так и диапазоном
частот УЗ.
Электронное поглощение ультразву-
ультразвука в металлах становится заметным
при темп-pax ниже 10 К. В длинно-
длинноволновой области I (табл. 3) элект-
электронное поглощение в основном обу-
обусловлено вязкостью электронного га-
газа, коэфф. т) к-рой определяется из
кинетич. теории:
= Узпетие1е<
D)
где т — масса электрона.
При этом коэфф. поглощения про-
продольных волн
Щ =
15 ре,
а сдвиговых волн
7iemi>,
E)
F)
где с; и ct ¦— скорости продольных
и сдвиговых волн соответственно,
р — плотность металла. Температур-
Температурная зависимость электронного погло-
поглощения определяется в основном тем-
температурной зависимостью длины сво-
свободного пробега электронов 1е. Рост
величины 1е при низких темп-рах
объясняет возрастание электронного
поглощения звука в металлах.
В высокочастотной области III, ког-
когда к1е^> 1, с УЗ-вой волной эффектив-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ЭЛЕКТРОНАМИ ПРОВОДИМОСТИ
55
но взаимодействуют только те электро-
электроны, проекции скорости к-рых на
направление распространения волны
равна скорости звука. Коэфф. элект-
электронного поглощения определяется при
этом выражением:
« = """"Г"" G)
и различается для продольных и сдви-
сдвиговых волн только численными коэф-
коэффициентами. Для области III харак-
характерна линейная зависимость от часто-
частоты и слабая зависимость от темп-ры.
Рис. 1. Темпе-
Температурная за-
зависимость эле-
электронного по-
поглощения а
ультразвука
в сверхпрово-
сверхпроводящем метал-
металле: 1—в сверх-
сверхпроводящем
состоянии;
2 — при раз-
разрушении
сверхпроводи-
сверхпроводимости магнит-
магнитным полем.
Если металл — сверхпроводник,
то при темп-ре Тс перехода в сверх-
сверхпроводящее состояние электронное
поглощение резко уменьшается (кри-
вая 1 на рис. 1). Это объясняется
тем, что с решёткой, а следовательно,
и с УЗ-вой волной взаимодействуют
только «нормальные» электроны, чис-
число к-рых уменьшается с понижением
теми-ры, а сверхпроводящие, число
Кгрых при этом растёт, в поглощении
звука не участвуют. Разрушение
сверхпроводимости внешним магнит-
магнитным полем приводит к резкому воз-
возрастанию поглощения (кривая 2 на
рис. 1). В общем случае поглощение
УЗ в сверхпроводниках имеет ряд
особенностей, определяемых типом
сверхпроводимости и поляризацией
волны.
Электронное поглоще-
поглощение в металлах в магнит-
магнитном поле. Постоянное магнитное
иоле существенно влияет на движение
электронов, искривляя их траекто-
траектории, что сказывается на характере
АЭВ в металлах, и прежде всего на
электронном поглощении. В области
I возникает дополнительное, т. н. Ло-
ронцево, поглощение УЗ, обусловлен-
обусловленное появлением полей индукции из-за
колебательного движения ионов крис-
таллич. решётки с частотой звука
в магнитном поле. В областях II и III
зависимость поглощения от магнит-
магнитного поля качественно связана с из-
изменением длины свободного пробега
электронов, т. к. искривление их
траекторий приводит к уменьшению
расстояния между столкновениями
в направлении распространения. По-
Поэтому в магнитном поле поглощение
звука уменьшается. Наиболее инте-
интересна область III, где при изменении
величины магнитного поля Н имеют
место осцилляции электронного по-
поглощения (обычно при температуре
жидкого гелия) (рис. 2). Экспери-
Экспериментально эти осцилляции можно
наблюдать, если плоскопараллельный
монокристаллич. образец металла 9
(рис. 3) с прикреплённым к нему
посредством тонкого слоя связки 1
кварцевым преобразователем 2 по-
поместить в криостат с жидким гелием
7, к-рый в свою очередь охлаждается
жидким азотом 6. Вся система рас-
располагается между полюсами электро-
электромагнита 8 с индукцией 8—10 кГс.
Генератор 3 возбуждает в образце им-
импульсы УЗ, к-рые принимаются при-
приёмником 4 и измеряются с помощью
калибровочного генератора 5.
— —
>77МГц
. 33 МГц
16.3МГц
11,8 МГц
\г
/
I
ч
V
5 10 ХН.Гс-см
Рис. 2. Зависимость электронного погло-
поглощения а в магнитном поле в монокристал-
монокристалле меди при различных частотах и темпе-
температуре жидкого гелия. С ростом магнит-
магнитного поля наблюдается уменьшение погло-
поглощения, а при высоких частотах G7 МГц)
хорошо заметны осцилляции.
Осцилляции электронного поглоще-
поглощения в магнитном поле могут быть
вызваны различными причинами и
подразделяются на геометрич. резо-
резонанс, магнетоакустич. резонанс, кван-
квантовые осцилляции (осцилляции де
Гааза — ван Альфена или Шубнико-
56
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ЭЛЕКТРОНАМИ ПРОВОДИМОСТИ
¦ва — де Гааза) и акустич. цикло-
циклотронный резонанс (см. Металлы).
Геометрич. резонанс возника-
возникает в достаточно сильном магнитном по-
поле, когда выполняется условие kle > 1
и электрон за
время между
| столкновениями
1 успевает совер-
совершить много обо-
оборотов в плоско-
плоскости, перпендику-
перпендикулярной направ-
Рис. 3. Блок-схема
установки для ис-
исследования элек-
электронного поглоще-
поглощения ультразвука в
металлах в магнит-
магнитном поле при низ-
низких температурах.
лению поля. Если УЗ-вая волна
распространяется в направлении,
перпендикулярном магнитному по-
полю, то при условии о)цТ > 1 диа-
диаметр орбиты, зависящий от Л, может
стать больше длины волны (здесь
0)ц = eH/mCi — циклотронная часто-
частота, ех— скорость света). Если диа-
диаметр орбиты равен половине дли-
длины волны (рис. 4), то электрон уско-
ускоряется (или тормо-
тормозится) дважды за пе-
период (в точках 1 и
2) и взаимодействие
максимально. Изме-
Изменение магнитного по-
поля (диаметра орби-
JL ты) или частоты зву-
звука (длины волны) при-
Рис. 4. Схема, иллю-
иллюстрирующая осцилляции
поглощения в магнит-
магнитном поле.
водит к изменению этого резонансного
условия, и взаимодействие умень-
уменьшается. Т. о., при изменении поля
или частоты звука поглощение осцил-
осциллирует.
Магнетоакустический резонанс обус-
обусловлен особенностями строения по-
поверхности Ферми. В магнитном поле
движение электрона оказывается пе-
периодическим, что вызывает резонан-
резонансное поглощение звука, аналогично
геометрич. резонансу. Исследование
осцилляции поглощения является од-
одним из методов определения формы
поверхности Ферми металлов.
Квантовые .осцилляции наблюдают-
наблюдаются при низких темп-pax, если направ-
направление распространения звука не пер-
перпендикулярно магнитному полю. При
этом поглощение также осциллирует
в магнитном поле, но не зависит от
частоты. Квантовые осцилляции вы-
вызваны тем, что энергия электронов на
орбитах в магнитном поле квантуется.
Акустич. циклотронный резонанс
наблюдается при частоте УЗ, равной
или кратной циклотронной частоте
о)ц движений электронов. При этом
необходимо, чтобы частота столкно-
столкновений была меньше частоты звука,
т. е. чтобы выполнялось неравенство
kle^> ve/c ~ 103. Акустич. циклотрон-
циклотронный резонанс, при к-ром поглощение
также осциллирует, наблюдать слож-
сложнее, чем геометрический. При всех
перечисленных резонансах поглоще-
поглощение периодично в функции от обрат-
обратного поля i/ff, однако в каждом
случае периодичность определяется
различными факторами.
Электронное поглощение в полу-
полупроводниках имеет в основном те же
особенности, что и в металлах, за
исключением нек-рых частных слу-
случаев. В многодолинных полупровод-
полупроводниках (Ge, Si) в нек-рых направле-
направлениях экранирование ослаблено, что
приводит к росту электронного по-
поглощения даже при не слишком боль-
больших концентрациях электронов.
Особый интерес представляет элект-
электронное поглощение УЗ в пьезоэлект-
рич. полупроводниках (CdS, CdSe,
ZnS), в к-рых из-за сильного АЭВ
оно значительно даже при сравнитель-
сравнительно низких частотах и комнатных
темп-pax. При этом становится замет-
заметной и дисперсия скорости УЗ, вызван-
вызванная АЭВ. Коэфф. электронного погло-
поглощения УЗ при низких частотах:
а —
Юс/СО
,(9)
V GJq/ \O3d/ \ G> /
а дисперсия скорости:
с =
, 1 I Х' (Op \<flDj
A0)
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ
57
(сп — скорость звука в отсутствии
взаимодействия, К2 — коэфф. элект-
ромеханич. связи, <ол — т. н. диф-
диффузионная частота). Частотные за-
зависимости электронного поглощения
и дисперсии скорости звука в пьезо-
полупроводниках (рис. 5) можно
интерпретировать как зависимости от
проводимости при постоянной частоте,
поскольку сос = сг/е. Электронное по-
поглощение УЗ экспериментально лег-
легко наблюдать в фотоироводящих
пьезополупроводниковых кристаллах,
таких, как CdS, где проводимость
сильно изменяется при освещении.
Так, на частотах 20—30 МГц коэфф.
электронного поглощения возрастает
примерно на 60 дБ при изменении
удельного сопротивления кристалла
от — 108 Ом-см (в темноте) до
104 Ом-см (при освещении). Иссле-
Исследование электронного поглощения и
пьезополупроводниках представляет
большой интерес для целей созда-
создания усилителей УЗ.
Электронная акусти-
акустическая нелинейность. При
сравнительно больших амплитудах и
при значительном АЭВ, к-рое имеет
место в пьезополупроводниках, взаи-
1,0
*§ 0.8
1 0,6
О
» 0 4
0.2
/
/
/
\
у
\
/Л
г
ч
'¦°
0
0,1 1,0 10 100
log w/шс
Рис. 5. Электронное затухание 1 и диспер-
дисперсия скорости 2 ультразвука в пьезополу-
проводниковом кристалле в зависимости
от отношения и>/<ас; с0 и Соо — скорости
звука при очень малых и очень больших
частотах.
модействие УЗ с электронами стано-
становится нелинейным и возникает ряд
новых эффектов. Так, УЗ-вая волна
большой амплитуды при распростра-
распространении по пьезополупроводниковому
кристаллу искажается, что приводит
к появлению акустич. гармоник (см.
Нелинейное взаимодействие). УЗ-вая
волна в пьезополупроводнике при
АЭВ вызывает не только появление
тока с частотой УЗ, но и появление
составляющих тока с нулевой час-
частотой (акустоэлектрич. ток — см.
Акустоэлектрический эффект) и с
удвоенной частотой. Ток с удвоен-
удвоенной частотой приводит к появлению
электрич. поля с удвоенной частотой
и благодаря пьезоэффекту — к появ-
появлению второй акустич. гармоники.
При этом амплитуда второй гармони-
гармоники УЗ зависит от проводимости крис-
кристалла, т. е. концентрации электронов
пе (рис. 6). Электронная акустич.
Рис. 6. Амплитуда второй акустической
гармоники А 2 в сернистом кадмии в за-
зависимости от концентрации электронов пе.
нелинейность ограничивает усиление
УЗ и играет существенную роль при
генерации акустич. шумов в пьезо-
пьезополупроводниках. В последнее время
электронная акустич. нелинейность
начинает находить применение в
нек-рых УЗ-вых корреляционных
устройствах для выполнения операции
свёртки сигналов (см. А кустоэлектро-
ника).
Лит.: Пустовойт В. И., «Успехи
физ. наук», 1969, т. 97, в. 2, с. 257—306;
Тру элл Р., Эльбаум Ч., Чик Б.,
Ультразвуковые методы в физике твердого-
тела, пер. с англ., М., 1972; Гуревич
В. Л., «Физика и техника полупроводни-
полупроводников», 1968, т. 2, с. 155 7—92; Г у л я е вЮ. В.,
«Физика твердого тела», 1970, т. 12, в. 2,
с. 415—28. Б. Е. Лямов.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ
ПОЛЕЙ — методы получения види-
видимой картины распределения величин,
характеризующих звуковое поле.
В. з. п. широко применяется для изу-
изучения полей сложной формы, для це-
целей дефектоскопии и медицинской
диагностики, а также для визуали-
визуализации акустич. изображений предме-
предметов, получаемых либо с помощью
акустич. фокусирующих систем, либо
методами акустич. голографии.
В зависимости от характера исполь-
используемого эффекта все методы В. з. п.
могут быть разбиты на три основные
группы. 1) Методы, в к-рых исполь-
используются основные параметры звуко-
58
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ
вого поля: звуковое давление, колеба-
колебательное смещение частиц, переменная
плотность среды. 2) Методы, основан-
основанные иа квадратичных эффектах в зву-
звуковом поле — деформации водной по-
поверхности под действием пондеромо-
торных сил, акустических течений,
на эффекте Рэлея диска. 3) Методы,
использующие вторичные эффекты,
возникающие при распространении
звуковых волн достаточной интен-
интенсивности в жидкости: тепловые эффек-
эффекты, ускорение процессов диффузии,
непосредственное воздействие УЗ на
фотослой, дегазация жидкости, акус-
тич. кавитация. Сюда же можно отнес-
отнести эффекты гашения и возбуждения
люминесценции, изменение цвета кра-
красителей и т. д.
В методах первой группы
для получения картины распределе-
распределения звукового давления используются
различные технич. приёмы. Самый
распространённый — сканирование
исследуемого поля миниатюрным
приёмником звукового давления.
Электрич. сигнал с такого приёмника
после необходимого усиления преоб-
преобразуется в световой, напр, с помощью
электрич. лампочки или путём моду-
модуляции яркости луча электроннолуче-
электроннолучевой трубки. Способ сканирования
одиночным приёмником может быть
использован в том случае, когда
исследуемое акустич. поле представ-
представляет собой стоячую волну или сумму
стоячих волн. Для визуализации поля
бегущей волны необходимо иметь на-
набор (мозаику) приёмников, быстро
переключаемых с помощью электрон-
электронного устройства. Можно искусствен-
искусственно создавать поле стоячих волн,
обеспечивая интерференцию иссле-
исследуемого поля с нек-рой опорной
акустич. волной или электрич. сиг-
сигналом той же частоты. Этот приём,
составляющий основу методов акус-
акустич. голографии, широко использу-
используется для В. з. п.
Методы механич. сканирования
обычно применяют в низкочастотных
диапазонах — до 100 кГц. В этой
области частот трудно создать много-
многоэлементную приёмную систему. В диа-
диапазоне частот от 100 кГц до нескольких
десятков МГц наибольшее распростра-
распространение получили электронные методы
сканирования мозаики пьезоприём-
ников; вместо мозаики часто приме-
применяют сплошную пьезопластину с сек-
секционированным электродом на внут-
внутренней (тыльной) стороне. Одним из
таких устройств является электрон-
но-акустич. преобразователь, приме-
применяемый, в частности, в звуковизоре.
Принцип его работы заключается в
том, что с помощью пьезоэффекта
картина падающего звукового поля
преобразуется в соответствующий
электрич. потенциальный рельеф на
внутренней стороне приёмного элемен-
элемента. Затем этот рельеф считывается
тонким электронным лучом и далее
средствами телевизионной техники
преобразуется в видимое оптич. изоб-
изображение. Если впереди приёмного
элемента установить акустич. линзу
так, чтобы её плоскость изображения
совпала с плоскостью приёмников,
то получится устройство звуковиде-
ния — акустич. аналог телевизион-
телевизионной передающей трубки, позволяющее
получить видимое изображение пред-
предмета, сформированное с помощью
акустич. волн (рис. 1).
Изменение плотности среды в зву-
звуковом поле приводит к соответствую-
соответствующему изменению показателя прелом-
преломления для световых лучей, проходя-
проходящих через этот участок среды. В ре-
результате световой поток оказывается
промодулированным по фазе, причём
характер модуляции определяется
в конечном счёте характером измене-
изменения звукового давления в среде.
Визуализировать эти фазовые измене-
изменения можно разными приёмами: тене-
теневым методом (метод Теплера), методом
фазового контраста, голографич. ме-
методом и методом дифракции света
на ультразвуке.
Широко распространён метод Теп-
Теплера, в к-ром используется явленно
рефракции световой волны при про-
прохождении среды с переменным показа-
Рис. 1. Изображение кисти руки, полу-
полученное с помощью электронно-акустиче-
электронно-акустического преобразователя, совмещённого
с акустической линзой.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ
59
телем преломления п. В первом при-
приближении угол а отклонения светово-
светового луча пропорционален градиенту п
по координате у, перпендикулярной
первоначальному направлению его
распространения х (рис. 2), а также
размеру Да; области с переменным п.
Параллельный пучок света, выходя-
выходящий из объектива Ох (рис. 2, а),
проходит через область исследования
D и собирается в фокальной плос-
плоскости объектива <92, давая изобра-
изображение щели, к-рое почти полно-
полностью экранируется ножом Фуко Н
(рис. 2, б), так что на экран Э попа-
попадают лишь отклонённые лучи, т. е.
видимыми становятся лишь области
с переменным показателем преломле-
преломления. При достаточно широкой щели
Изображение чел,
Рис. 2.а — схема метода Теплера: S —
источник света; Ot и 02 — объективы;
F — фокальная плоскость; В — экран;
Н — нож Фуко; D — исследуемый учас-
участок звукового поля; б — нож Фуко.
освещённость Е в поле изображения
на экране Э практически пропор-
пропорциональна углам отклонения лучей
в соответствующих участках иссле-
исследуемого поля: Е = Ео b(d + aF), где
Еп— освещённость от единичной пло-
площадки изображения щели, F — фокус-
фокусное расстояние объектива 02, d — ши-
ширина открытой части изображения ще-
щели, Ъ — её длина. Метод Теплера в таком
виде является количественным методом
исследования, позволяющим опреде-
определить пространственное распределение
показателя преломления. Чувствитель-
Чувствительность его возрастает с уменьшением
величины d и ограничивается лишь
дифракционными явлениями. В зву-
звуковом поле распределение п (х, у, z)
обусловлено распределением плотнос-
плотности среды р (х, у, г), к-рое в свою
очередь связано с распределением
звукового давления р. Для газов
связь лир имеет простой вид:
(п. — 1)/р = const. Известны и дру-
Рис. 3. Амплитудное поле у поверхно-
поверхности колеблющегося кварца, полученное
посредством одной из модификаций тене-
теневого метода.
гио варианты метода Теплера, напр,
метод, где вместо ножа применена
нить или решётка, а также методы,
в к-рых нить и решётка устанавлива-
устанавливаются вне фокальной плоскости. В рас-
рассмотренном виде теневой метод удобен
для В. з. п. стоячих волн. Примене-
Применение его для меняющихся со временем
звуковых полей, напр, поля бегущих
волн, требует использования мгновен-
мгновенного или стробоскопического освеще-
освещения (используют и другие специальные
приёмы получения мгновенной карти-
картины звукового поля теневым методом —
рис. 3).
В методе фазового контраста нож
Фуко, частично экранирующий изоб-
изображение щели, заменяется пластин-
пластинкой четвертьволновой толщины, бла-
благодаря чему модуляция светового лу-
луча по фазе преобразуется в модуля-
модуляцию по амплитуде, дающую видимое
изображение.
Для неразрушающего контроля на-
начинают применять методы В. з. п.,
основанные на оптич. голографич.
интерференции, при к-рой на одной
и той же фото-
пластинке форми-
формируют две, три и
т. д. оптич. голо-
голограммы исследуе-
исследуемого тела, излуча-
излучающего звук (колеб-
(колеблющегося). На вос-
восстановленном изо-
изображении объекта
(тела) будут видны
интерференцион-
интерференционные полосы, соот-
соответствующие рас-
распределению амп-
амплитуды колебаний ~
по поверхности те- Рис- *• Интерферо-
ля ("пир U\ Мртолы граммы поверхно-
л<црис. <*;. шетоды сти вибрирующей
голографич. интер- мембраны.
60
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ
ферометрии обладают высокой чув-
чувствительностью и позволяют обна-
обнаруживать чрезвычайно малые меха-
нич. смещения — 0,0002 мм.
Среди методов второй г р у п-
п ы наибольшее распространение по-
получил метод поверхностного рельефа
(рис. 5), основанный на свойстве
лучом света матовую серую поверх-
поверхность. Принимая под действием зву-
звуковой волны определённую ориента-
ориентацию, частицы дают зеркальное отра-
отражение, в результате чего на сером
фоне появляется светлая область —
видимое изображение звукового поля.
При этом степень ориентации и, сле-
Рис. 5. я — схема метода поверхностного рельефа: 1 — источник звука; 2 — объ-
объект; з — вогнутое зеркало (объектив); 4 — жидкость; 5 — сосуд; 6 — экран;
б — деталь, в — её изображение, полученное методом поверхностного рельефа.
свободной поверхности жидкости
вспучиваться под воздействием УЗ.
Обусловленный УЗ-вым полем рельеф
визуализируют с помощью направ-
направленного на поверхность жидкости
светового пучка, при этом исполь-
используются различные методы, в т. ч.
и теневой. При использовании моди-
модификации голографич. метода, полу-
получившей широкое применение в диапа-
диапазоне частот 0,5—5 МГц, в образова-
образовании рельефа на поверхности участ-
участвуют две интерферирующие акустич.
волны, одна из к-рых является опор-
опорной, а другая — исследуемой.
Голографическая модификация ме-
метода поверхностного рельефа позво-
позволяет получить информацию не толь-
только об амплитудном распределении
звукового поля, но и о его фазовой
структуре.
Метод диска Рэлея основан на том,
что свободно подвешенная пластинка
поворачивается в поле звуковой вол-
волны таким образом, что её плоскость
становится перпендикулярной направ-
направлению распространения звука. Для
реализации этого метода в смеси воды
и ксилола образуют взвесь мельчай-
мельчайших чешуек лёгкого металла, напр,
алюминия. В отсутствии акустичес-
акустического поля эти частицы совершают бес-
беспорядочное броуновское движение,
образуя при освещении направленным
довательно, яркость изображения за-
зависят от интенсивности звука.
Среди методов третьей груп-
п ы следует отметить методы, осно-
основанные на тепловом воздействии УЗ
и на его способности ускорять процес-
процессы диффузии. Для реализации теп-
тепловых эффектов в исследуемое зву-
звуковое поле помещают тонкий погло-
поглощающий звук экран. Неравномерное
нагревание этого экрана может быть
визуализировано различными спосо-
способами: с помощью термочувствитель-
термочувствительных красок и жидких кристаллов,
нанесённых тонким слоем на погло-
поглощающий экран; применением элект-
ронно-оптич. преобразователей, чувст-
чувствительных в инфракрасной области;
возбуждением или гашением люми-
люминесценции нанесённых на экран спе-
специальных люминофоров и др. На
способности УЗ ускорять процессы
диффузии основаны фотодиффузион-
фотодиффузионные методы В. з. п.: предварительно
засвеченная фотобумага погружается
в раствор проявителя, и в местах,
на к-рые подействовал УЗ, диффузия
проявителя в желатину сильно уско-
ускоряется, так что бумага быстро чер-
чернеет.
Сравнительно простой, но мало
чувствительный метод В. з. п. осно-
основан на эффекте дегазации жидкости
под действием УЗ: выделяющиеся при
ВИСКОЗИМЕТРЫ
61
дегазации пузырьки газа располага-
располагаются вдоль линий максимального зву-
звукового давления и дают представле-
представление о картине исследуемого звукового
поля. Для В. з. п. используются такн*е
другие кавитационные эффекты: кави-
тационная эрозия фольги, помещённой
в УЗ-вое поле, химич. действие УЗ.
Среди звукохимич. эффектов наибо-
наиболее наглядным является потемнение
крахмала в растворе йодистого калия,
разлагающегося под деиствием УЗ-вой
кавитации в слабо подкислённой сре-
среде. Использование кавитации, ускоряю-
Сравнительные характеристи-
характеристики различных методов
визуализации звуковых полей
Продолжение
3
с
груп
—
о
ш
а
аз
Н
О
3
с
&
о
а
о
м
a
я
о
g
Название
метода
Механическое
сканирование
пьезоприём-
ником ....
Электронное
сканирование
пьезокерами-
ческой плас-
Члектронное
сканирование
кварцевой
пластины . .
Пьезоэлектри-
Пьезоэлектрический элек-
тролюминес-
тролюминесцентный дат-
Теневой метод,
метод фазово-
фазового контраста,
дифракция
света на УЗ
Голографиче-
ская интерфе-
интерферометрия . .
Метод поверх-
поверхностного ре-
рельефа:
в жидкости
в твёрдом те-
Акустооптиче-
ские эффекты
в жидких
кристаллах
Метод диска
Рэлея » » * •
Характеристики
, S А
° ? о
|kIS
С q 5m
10-"
J Q-11
JQ-10
«п-5
1U а
ю-»—
10"»
10—
10"в
2- 10-»
3-10-ь
10
2- 10"s
В
о
п _
<Я н
по.
« Кгн
S ОМ
практи-
практически
любой
0,1—10"
0,5-10
А > О
и , 1 — Ci
0,5-30
не огра-
ограничен
0,3—10
0,5-15
0,7-10
0,1-1
А К
сЗ§й
а рз о
S в го &
ю-'-
ю-8
ю-»—
Ю-»
П * 4
U , 1 — 1
10-5-
20-'
10-5-
20-"
0,1
0,01
—
1
3
с
о
а.
^
л
1
1
Q
2
Название
метода
Ускорение про-
процесса фотогра-
фотографического
проявления
Потемнение
пластинки со
слоем крахма-
крахмала в йодном
растворе . . .
О беецвечивание
красителя из-
за диффузии
Возбуждение
люминесцен-
люминесценции
Гашение люми-
люминесценции . .
Изменение цве-
цвета термочув-
термочувствительных
красок ....
Изменение фо-
фотоэмиссии . .
Характеристики
Ja-
о ™ 2 f.
Cggm
0,1
J
0,5-1
1
—
1
0,1
g
иапаз
tCTOT,
Гц
ttlrS
0,1-1
0,1-1
0,1-1
0, 1 — 1
—
0,01-10
0,1-1
Л и
~ К i
«Зя
S3 Я О
S В rod
10—юо
100
10 — 150
0,1 — '
0,1-:
0,1
0,1
щей ход химич. реакции, а также
непосредственное действие УЗ на фо-
фотослой не получили широкого приме-
применения вследствие малой чувствитель-
чувствительности. В таблице приведено сравне-
сравнение методов В. з. п. с указанием
пороговой интенсивности / и частоты
/ (иди диапазона частот), на к-рой
она была получена, а также ориен-
ориентировочные значения минимальных
времен экспозиций т.
Лит.: БергманЛ.. Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957; Розенберг Л. Д.,
«Акуст. ж.», 1955, т. 1, Л 2, с. 99—109;
Свет В. Д., Методы акустической голо-
голографии. [Обзор], Л., 1976; Эльпинер
И. Е., Ультразвук. Физико-химическое и
биологическое действие, М., 196."!.
В. Д. Свет.
ВИСКОЗИМЕТРЫ ультразву-
ультразвуковые — приборы для измерения
сдвиговой вязкости ньютоновских
жидкостей с помощью акустич. ко-
колебаний. Принцип действия УЗ-вых
В. основан на зависимости характе-
характера колебаний контактирующего С
жидкостью вибратора от её вязко-
вязкости. Вибратор обычно представляет
собой стержень или узкую пластину,
к-рые совершают свободные или вы-
вынужденные колебания на частоте ре-
резонанса. В В. используются продоль-
продольные, крутильные, а также изгибные
62
ВИСКОЗИМЕТРЫ
колебания. Контакт с жидкостью вно-
вносит дополнительные потери энергии
колебаний, связанные с возбуждени-
возбуждением в жидкости поперечных вязких
волн. При этом снижается доброт-
добротность вибратора, а следовательно,
уменьшается амплитуда его колебаний
в вынужденном режиме или быстрее
затухают свободные колебания. Ре-
Рис. 1. Схема датчи-
датчика вискозиметра с
вибратором на про-
продольных колебаниях:
j ] — пластина; 2 —
Г~^? соленоид; з — жид-
_Г кость; 4 — преобра-
— зователь, создающий
— электрический сиг-
нал.
акция жидкости имеет не только ак-
активный, но и реактивный характер,
приводящий к изменению резонанс-
резонансной частоты вибратора. Как актив-
активная, так и реактивная компоненты
вносимого жидкостью дополнитель-
дополнительного импеданса вибратора (см. Из-
Излучение звука) пропорциональны ве-
величине "У сорт], где ш — круговая ча-
частота колебаний, р — плотность, а
т] — коэфф. сдвиговой вязкости жид-
жидкости. Наибольшее распространение
получили В., вибраторы к-рых рабо-
работают в диапазоне УЗ-вых частот по-
порядка десятков кГц.
Вибратор продольных колебаний
представляет собой обычно узкую
пластинку полуволновой длины из
Рис. 2. Схема датчика
вискозиметра с виб-
вибратором на крутиль-
крутильных колебаниях: 1 —
круглый стержень;
2 — электромехани-
электромеханический преобразова-
преобразователь; 3 — жидкость;
4 — преобразователь,
создающий электри-
электрический сигнал.
магнитострикционного материала,
закреплённую в узле колебаний (рис.
1). Верхняя половина пластины 1
находится в поле возбуждающего ко-
колебания соленоида 2, а нижняя опу-
опущена в контролируемую жидкость 3.
Вибратор крутильных колебаний —
круглый стержень 1, также закреп-
закреплённый в узле колебаний (рис. 2).
Крутильные колебания возбуждаются
при помощи электромагнитного или
к.-л. другого электромеханич. пре-
образователя 2, создающего в верх-
верхней части стержня крутящий момент.
В конструкцию погружаемого в жид-
жидкость датчика В., кроме вибратора
и системы возбуждения колебаний
(напр., соленоида), входит преобразо-
преобразователь 4, создающий электрич. сиг-
сигнал, напряжение к-рого U пропорцио-
пропорционально амплитуде продольных ? или
крутильных ф колебаний.
Вязкость чаще всего оценивают
по изменению добротности вибрато-
вибратора. При этом используется две изме-
измерительные схемы. Первая позволяет
определить изменение амплитуды ко-
колебаний вибратора при нагрузке его
жидкостью (рис. 3). Возбуждающая
обмотка вибратора в датчике 1 под-
подключается к выходу усилительного
блока 2 с ограниченной амплитудой
выходного напряжения. Сигнал с пре-
преобразователя подаётся на вход линей-
линейного усилителя 3, выход к-рого соеди-
U-ki\
Рис. 3. Блок-схема
вискозиметра, изме-
измеряющего вязкость по
амплитуде колебаний
вибратора: 1 — дат-
датчик; 2 — блок усили-
усилителя-ограничителя;
3 — линейный уси-
усилитель; 4 — блок ин-
индикации и регистра-
регистрации.
нён со входом усилительного блока 2.
Таким образом замыкается петля по-
положительной обратной связи, обеспе-
обеспечивающей поддержание колебаний
вибратора на собственной резонанс-
резонансной частоте. Напряжение на выходе
усилителя 3 измеряется или реги-
регистрируется блоком 4. Величина это-
этого напряжения пропорциональна ам-
амплитуде колебаний, к-рая функцио-
функционально связана с добротностью вибра-
вибратора и определяется вязкостью жид-
жидкости.
Вторая схема измерений основана
на определении времени затухания
колебаний вибратора после его воз-
возбуждения электрич. импульсом
(рис. 4). Импульсный генератор 1 пи-
питает возбуждающую обмотку датчи-
датчика 2. С преобразователя сигнал, про-
пропорциональный амплитуде колебаний,
подаётся на линейный усилитель с ком-
компаратором 3. После импульсного воз-
возбуждения амплитуда колебаний виб-
ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 63
и
г
-кц
л
1 ^- I I.
ш
г
3
ратора уменьшается по экспоненциаль-
экспоненциальному закону. Когда амплитуда ко-
колебаний достигает нек-рого уровня,
составляющего заранее выбранную
долю от максимального значения воз-
возбуждающего напряжения, блок 4
выдаёт сигнал запуска импульсного
генератора. Чем меньше добротность
Рис. 4. Блок-схема
вискозиметра, изме-
измеряющего вязкость по
времени затухания
свободных колебаний
вибратора: 1 — им-
импульсный генератор;
2 — датчик; 3 — уси-
усилитель с компарато-
компаратором; 4 — формиро-
формирователь запускающего
импульса; 5 — ча-
частотомер, индикатор,
регистратор.
вибратора (т. е. чем выше вязкость
жидкости), тем скорее напряжение на
преобразователе будет достигать вы-
выбранного уровня и тем меньше будет
период следования импульсов генера-
генератора 1. Устройство 5 выдаёт сигнал,
пропорциональный частоте следова-
следования импульсов, функционально свя-
связанной с искомой вязкостью жид-
жидкости.
В низкочастотном УЗ-вом диапазоне
и на звуковых частотах применяются
т. н. вибрационные В., вибраторы
к-рых выполняются в виде элемен-
элементов с сосредоточенными параметрами
(напр., пластина на упругом подвесе)
или в виде стержней, совершающих
изгибные колебания. В высокочастот-
высокочастотном УЗ-вом диапазоне (десятки МГц)
вязкость жидкости может быть опре-
определена принципиально другим спосо-
способом — путём измерения комплексного
коэфф. отражения волн при наклон-
наклонном падении УЗ-вого пучка на поверх-
поверхность раздела твёрдое тело — иссле-
исследуемая жидкость.
УЗ-вые В. (в т. ч. вибрационные)
применяются в производстве синте-
тич. каучука, в лакокрасочной,
электротехнической и нефтеперера-
нефтеперерабатывающей промышленности, в про-
производстве нек-рых полимеров. Диа-
Диапазон измеряемых вязкостей прости-
простирается от десятых долей сП до де-
десятков тысяч П. Погрешность изме-
измерений, определяемая в процессе та-
тарировки В. по ньютоновским жидко-
жидкостям с известной вязкостью, не пре-
превышает 3—5%. Основными преиму-
преимуществами УЗ-вых В. являются воз-
возможность непрерывных измерений
непосредственно в ходе технологич.
процесса (без взятия проб), широкий
интервал рабочих темп-р (от 4 до
700 К) и давлений (до 100 атм), про-
простота обеспечения условий взрыво-
безопасности. УЗ-вые В. позвол-яют
осуществлять дистанционный конт-
контроль технологич. процессов. Благо-
Благодаря электрич. выходному сигналу
они легко включаются в системы ав-
автоматического управления и регули-
регулирования.
Лит.: Л о п у х о в В. П., Коган И.Н.,
Глазунов В. М., «Механизация и ав-
автоматизация производства», 1969, Л» 11,
с. 27—30; Смирнов Ю. К., в кн.:
VI Всесоюзная акустическая конференция,
М., 1968, секц. С, м СШ2; Кремлев-
Кремлевский В. П., С т е п и ч е в А. А., Новые
автоматические вибрационные вискозимет-
вискозиметры, Л., 1969; Соловьев А. Н., К а п-
л у н А. Б., Вибрационный метод измерения
вязкости жидкостей, Новосиб., 1970.
Б. Е. Михалёв, А. С. Хижуиин.
ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА
НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРО-
ПРОЦЕССЫ. Процессы электрохимич.
осаждения металлов, используемые
в технике для нанесения металлич.
покрытий, могут интенсифицировать-
интенсифицироваться под действием УЗ. При прохож-
прохождении постоянного тока через электро-
электролит на катоде выделяются атомы ме-
металла, к-рые образуются в результате
присоединения электронов к ионам
электролита. Эффективность этого
процесса характеризуют т. н. выхо-
выходом металла по току, т. е. отношением
фактически выделенного на катоде
вещества к теоретически возможному
по закону Фарадея. В обычных ус-
условиях выход металла по току с уве-
увеличением плотности тока резко па-
падает. Это обусловлено, во-первых,
тем, что при прохождении тока кон-
концентрация ионов в электролите ста-
становится неравномерной и вблизи ка-
катода он обедняется, т. е. число ионов
металла уменьшается. Во-вторых, на
катоде выделяется водород, ионы к-ро-
го вместе с гидроксильными груп-
группами содержатся в водном раство-
растворе электролита; при этом прикатод-
ное пространство обогащается газо-
газовой фазой. В результате процессы
электроосаждения идут при значитель-
значительном перенапряжении на катоде (т. е.
повышается необходимый для прове-
проведения процесса потенциал катода),
это и обусловливает уменьшение вы-
выхода металла по току и увеличение
64 ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
длительности электролиза. Наконец,
процесс электролиза затрудняется из-
за адсорбции на поверхности като-
катода чужеродных молекул, что можно
трактовать как уменьшение активной
поверхности катода. Выделение во-
водорода на катоде (т. н. поляризация
катода), а также наличие посторон-
посторонних примесей на нём ухудшают каче-
качество покрытия (делают его пористым),
уменьшают степень адгезии покрытия
к подложке.
Воздействие УЗ на кинетику элект-
рохимич. процессов при малых ин-
тенсивностях обусловлено гл. обр.
возникновением в электролите аку-
акустических течений, к-рые, вызывая
перемешивание электролита, способ-
способствуют выравниванию концентрации
ионов и дегазации электролита в при-
катодном слое. При увеличении ин-
интенсивности УЗ и возникновении ка-
кавитации эффективность УЗ-вого воз-
воздействия на электрохимия, процессы
возрастает. Находящиеся в порах и
трещинах катода зародыши газовой
фазы усиленно растут и покидают
электролит, т. е. усиливается дега-
дегазация; происходит очистка поверх-
поверхности катода, к-рая приводит к увели-
увеличению его активной поверхности поч-
почти в 3 раза; резко усиливаются ми-
микромасштабные акустич. точения, а
с ними и процессы перемешивания.
Всё это способствует интенсифика-
интенсификации процесса электроосаждения: ус-
ускоряется растворение металла анода,
ослабляется истощение электролита
вблизи катода (даже при плотностях
тока до 7—8 А/дм2). Под действием
УЗ снижается потенциал выделения
водорода (см. табл.), и, следовательно,
процесс дегазации электролита идёт
при меньших напряжениях. В резуль-
результате действия этих факторов заметно
увеличивается выход металла по току
Влияние ультразвука на по-
потенциал выделения водорода
Материал катода
Платина ,
Медь . . .
Железо
Никель .
Алюминий
Потенциал катода, мВ
Ультразвуковое поле
без кави- I при кави-
кавитации | тации
500
320
460
360
600
if
-
щ
№\
IV
-
\
\
(рис. 1), допустимые значения тока
возрастают для большинства типов
электролитов в несколько раз (до
10 и более) и достигают 8—10 А/дм2.
100
'^80
1 60
§20
0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Плотность тона, А/дм*
Рис. 1. Влияние ультразвука на выход
по току никеля из электролита с водород-
водородным показателем рН=5 при температуре
20 °С: 1 —без ультразвука; 2 и 3 —
с ультразвуком частоты / = 24 кГц
при интенсивности I = 0,5—1 Вт/смг и
/= 5,0 Вт/см*.
Т. о., под действием УЗ повышается
производительность электроосажде-
электроосаждения, характеризуемая увеличением
толщины покрытия в единицу време-
времени (рис. 2).
Под воздействием явлений, обус-
обусловленных УЗ, улучшается качество
покрытий: повышается плотность,
v| 1.6
* 1,2
§~ 1.0
| 0,8
1"
/А
'¦ч
А
4'
#-\
^? \
f 0.2
So
g- I23456789 10
о Плотность тона, Aldjui
Рис. 2. Влияние ультразвука на ско-
скорость осаждения никеля из электролита с
рН = 5 : 1 — без ультразвука, 2 и 3 —
с ультразвуком частоты / = 27 кГц при
интенсивности / = 0,5—1,0 Вт/см2 и
1= 5,0 Вт/см2.
улучшается структура (металл ста-
становится мелкозернистым, блестя-
блестящим — рис. 3), увеличивается микро-
микротвёрдость. Покрытие получается рав-
равномернее и толще в несколько раз,
улучшается его адгезия к подложке.
Однако при больших интенсивностях
УЗ и сильно развитой кавитации
возможна каеитационная эрозия по-
ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
65
Рис. 3. Структура покрытий меди на ста-
стали, полученных с применением (а) и без
применения (б) ультразвука (увеличение
250): 1 — никель; 2 — медь; 3 — сталь
(верхний слой никеля везде нанесён спе-
специально для облегчения приготовления
шлифов).
крытия, поэтому интенсивность УЗ
ограничивают величиной 3—5 Вт/см2.
В. у. на э. п. применяется в маши-
машиностроении для интенсификации галь-
ванич. процессов: блестящего никели-
никелирования, меднения, цинкования, кад-
мирования, серебрения, золочения,
хромирования и др. В большинстве
случаев используются частоты от 16 до
44 кГц и интенсивности 3—5 Вт/см2.
В качестве источников УЗ обычно
применяют погружные устройства,
скомплектованные из стандартных маг-
иитострикционных преоб разователей
(реже из пьезоэлектрических преобра-
преобразователей), или специальные ванны,
в дно которых снаружи вмонтирова-
вмонтированы преобразователи. Применение по-
погружных преобразователей из пер-
мондюра или пьезокерамики требует
специальных мер для их защиты от
ялсктролита, напр, помещения в кор-
розионпостойкий кожух с излучени-
излучением через диафрагму из нержавеющей
стали. Ферритовые прербразователи
обладают высокой стойкостью по от-
отношению к коррозии и могут исполь-
использоваться без защитных устройств.
Это даёт возможность располагать
их в ванне так, чтобы создавалось
УЗ-вое поле любой заданной конфи-
конфигурации. При этом облодтка их вы-
выполняется проводом с химически стой-
стойкой изоляцией.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и
его применение в науке и технике,1 пер.
с нем., М., 1956; Гинберг А. М., Ф е-
д о т о в а Н. Я., Ультразвук в гальвано-
гальванотехнике, М., 1969; Капустин А. П.,
Трофимов А. Н., Электрокристалли-
Электрокристаллизация металлов в ультразвуковом поле,
М., 1969; Архангельский М. Е.,
С т а т н и к о в Ю. Г., в кн.: Физические
основы ультразвуковой технологии (Фи-
(Физика и техника' мощного ультразвука,
кн. 3), М., 1970, с. 515—78. Г- И. Эскин.,
ВОЛНОВОД — участок среды, огра-
ограниченный в одном или двух направле-
направлениях и служащий для передачи волн,
напр. слой или труба, заполненные
жидкостью или газом, стержень или
пластина (твёрдые волноводы). Рас-
Распространение волн в В. возможно как
в виде плоской волны, такой же, как
в неограниченных средах (слой и тру-
труба с жёсткими стенками), так и (при
достаточной толщине слоя) в виде
нормальных воли, образующихся в ре-
результате последовательных отражений
от стенок (т. н. волноводное распро-
распространение нормальных волн в слоях
и трубах), или в виде совместного
распространения продольных и сдви-
сдвиговых волн в твёрдых волноводах
(см. Нормальные волны в пластинках
и стержнях). В устройствах УЗ-воя
технологии В. наз. также твёрдые
звукопроводы: прямые и изогнутые
тонкие стержни и концентраторы,
служащие для передачи продольных,
изгибных или крутильных колебаний
от электроакустич. преобразователя
к объекту ультразвукового воздей-
воздействия.
ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
в газообразной или жид-
жидкой среде — отношение авуково-.
го давления р в бегущей плоской вол-
волне к колебательной скорости частиц
среды v. При отсутствии дисперсии
скорости звука В. с. не зависит от
формы волны и выражается ф-лой:
р/и = рс, где р — плотность среды,
с — скорость звука в ней. В. с. пред-
представляет собой удельный импеданс
акустический среды для плоских волн.
В. с.— важнейшая характеристика
среды, определяющая условия отра-
отражения звука и преломления звука на
её границе. При нормальном паде-
падении плоской волны на плоскую гра-
границу раздела двух сред коэфф. отра-
отражения определяется только отноше-
отношением В. с. этих сред; если В. с. сред
равны, то полна проходит границу без
отражения. Сопротивление излуче-
излучения в данную среду пропорционально
её В. с. для излучателей любого по-
порядка (см. Излучение звука).
Понятием В. с. можно пользоваться
и для твёрдого тела (для продольных
и поперечных упругих волн в неогт
раниченном твёрдом теле и для про-
продольных волн в стержне), определяя
В. с. как отношение соответствую-
соответствующего механич. напряжения, взятого
66 волны
с обратным знаком, к колебательной ругие деформации в жидкостях и га-
скорости частиц среды. зах могут распространяться только
ВОЛНЫ — изменения состояния в виде продольных В. («В. сжатия»),
среды (возмущения), распространяю- В твёрдых телах, в к-рых упругие си-
В1,иеся в этой среде и несущие с собой лы возникают также при сдвиге, уп-
энергию. Напр., удар по концу сталь- ругие деформации могут распростра-
ного стержня вызывает на этом конце няться не только в виде продольных
местное сжатие (упругую В.), к-рое В. («В. сжатия»), но и в виде попероч-
распространяется затем вдоль стерж- ных («В. сдвига»). В твёрдых телах
ня со скоростью около 5 тысяч м/с. ограниченного размера (напр., в
Упругие В. существуют в твёрдых стержнях, пластинках) картина рас-
нсраелвние распрбстранения волны иространения В. более сложна, здесь
• *- возникают еще и другие типы В., яв-
> Направление смещения тстиц ^_ ляющиеся комбинацией первых двух
!!""~:"?!! !!""?!"?"! !!Х!П основных типов (подробнее см. Уп-
l'.'.'.'.'.~l"'.'.'.'.'.'.'.'.'.TZ"l'.l'.ll'."l'. ругие волны). В жидкостях могут су-
и::™:"";:;::™:::::!:;":» ществовать в., не связанные с упру-
ll'.V.'.TZ'.'l'.'.'. '.'.'.'.'.'.~l"ll'. I'.'.'.'.'.'. гостью среды,— поверхностные гра-
а витационные В., внутренние В. в
Направление распространения волны Стратифицированной ПО ПЛОТНОСТИ
*- жидкости и т. д.
В электромагнитных В. направления
электрического и магнитного полей
почти всегда (за исключением случаев
анизотропных сред и распространения
Направление смещения частиц В Несвободном пространстве) ПвриеН-
б дикулярны направлению раснростра-
Рис. 1. а — продольная волна; б — по- нения В., поэтому электромагнитные
перечная волна. В. в свободном пространстве иопе-
рочны.
телах, жидкостях и газах. Звуковые Общие характеристики и свойства
и сейсмич. волны в земной коре явля- волн. В. могут иметь различный вид.
ются частными случаями упругих В. Одиночной В., или импульсом,
К электромагнитным волнам относят- наз. сравнительно короткое возму-
ся радиоволны, свет, рентгеновские щение, не имеющее регулярного ха-
лучи и др. Основное свойство всех В., рактера (рис. 2,а). Ограниченный
независимо от их природы, состоит в
том, что в В. осуществляется перенос
энергии без переноса вещества (по- а
следний может иметь место лишь как 0
побочное явление). Волновые процес- Л д Д Д А А А Д Л
сы встречаются почти во всех областях \J\J\J\J\J\J\J\J
физич. явлений, поэтому изучение В. в
ГиГ как для физики'так и для тех- WVWWWWWV
В. могут различаться по тому, как *!Х1->
везмущения ориентированы относи- Рис. 2. а _ одиночная волна; б - цуг
тельно направления их распростране- волн; в — бесконечная синусоидальная
ния. Так, напр., звуковая В. распро- волна.
страняется в газе в том же направле-
направлении, в каком происходит смещение ряд повторяющихся возмущений наз.
частиц газа (рис. 1, а); в В., распро- цугом В. Обычно понятие цуга отно-
страняющейся вдоль струны, смеще- сят к отрезку синусоиды (рис. 2,6).
ние точек струны происходит в нап- Особое значение в теории В. имеет
равлении, перпендикулярном струне представление о гармонич. В., т. е.
{рис. 1, б). В. первого типа наа. про- бесконечной и синусоидальной В.,
цольными, а второго — поперечными. в к-рой все изменения состояния сре-
В жидкостях и газах упругие силы ды происходят по закону синуса или
возникают только при сжатии и не косинуса (рис. 2, в); такие В. могли
возникают при сдвиге, поэтому уп- бы распространяться в однородной
волны
67
среде (если амплитуда их невелика)
без искажения формы (о В. большой
амплитуды см. ниже). Понятие беско-
бесконечной синусоидальной В., разумеет-
разумеется, является абстракцией, примени-
применимой к достаточно длинному цугу си-
синусоидальных В.
Основными характеристиками гар-
монич. В. являются длина В.А, —
расстояние между двумя максимума-
максимумами или минимумами возмущения и
период В. Т — время, за к-рое
совершается один полный цикл коле-
колебания. Т. о., бесконечная В. обладает
строгой периодичностью в простран-
пространстве (что обнаруживается в случае,
напр., упругих В., хотя бы на мо-
моментальной фотографии В.) и перио-
периодичностью во времени (что обнаружи-
обнаруживается, если следить за движением во
времени определённой частицы сре-
среды). Длина В. к связана с периодом Т
соотношением к/с = Т, где с — ско-
скорость распространения В. Это соот-
соотношение справедливо для гармонич.
В. любой природы.
Вместо периода Т можно пользо-
пользоваться частотой /, равной числу
периодов в единицу времени: / =
= \1Т, при этом kf = с. В теории В.
пользуются также понятием волно-
волнового вектора fc, ориентирован-
ориентированного в направлении распростране-
распространения В., абсолютная величина к-рого
к = 2п/к = 2я//с, т. е. равна числу
В. на отрезке 1л.
Гармоническая волна. Амплитуда
и фаза. В гармонич. В. изменение ко-
колеблющейся величины W во времени
происходит по закону синуса (или
косинуса) и описывается в каждой
точке ф-лой: W = Asin2nt/T (где
t — время), т. е. эта величина совер-
совершает гармонические колебания. В по-
положении равновесия величина W при-
принимается равной нулю. А — ампли-
амплитуда В., т. е. значение, к-рое эта
величина принимает при наибольших
отклонениях от положения равнове-
равновесия. В любой другой точке, распо-
расположенной на расстоянии г от первой
в направлении распространения В.,
колебания происходят по такому же
закону, но с опозданием на время
11= г/с, что можно записать в виде:
Выражение ср = •— (* —
наз.
фазой В. Разность фаз в двух точ-
точках гг и гг равна:
Фа — Ф1 = рс fa — ri) = X (Г2 ~~ ri)"
В точках, отстоящих друг от друга
на целое число В., разность фаз со-
составляет целое число 2я, т. е. коле-
колебания в этих точках протекают син-
синхронно — в фазе. Наоборот, в точках,
отстоящих друг от друга на нечётное
число полуволн, то есть для к-рых
r2 -r,= BiV- l)k/2, где N = 1,2,...,
разность фаз равна нечётному чи-
числу л, т. е. ф2 — Ф1 = BJV — 1)я.
Колебания в таких точках происхо-
происходят в противофазе: в то время как
отклонение в одной равно А, в дру-
другой оно обратно по знаку, т. е. равно
—А , и наоборот.
Распространение В. всегда связано
с переносом энергии, к-рый можно
количественно характеризовать век-
вектором плотности потока энергии _Г.
Этот вектор для упругих В. наз. век-
вектором Умова (по имени рус. учёного
А. А. Умова, к-рый ввёл это понятие).
Направление вектора Умова совпа-
совпадает с направлением переноса энер-
энергии, а его абсолютная величина, наз.
также интенсивностью звука, равна
энергии, переносимой В. за единицу
времени через единичную площад-
площадку, расположенную перпендикулярно
вектору I. При малых отклонениях
от положения равновесия / = К А2,
где К — коэфф. пропорциональности,
зависящий от природы В. и свойств
среды, в к-рой В. распространяется.
Фронт волны. Поверхности равных
Важной характеристикой В.
является вид поверхностей равных
фаз, т. е. таких поверхностей, в лю-
любой точке к-рых в данный момент
времени фазы одинаковы. Форма по-
поверхности равной фазы зависит от
условий возникновения и распростра-
распространения В. В простейшем случае таки-
такими поверхностями являются плоско-
плоскости, перпендикулярные направлению
распространения В., и В. наз. пло-
плоской. В., у к-рых поверхностями
равных фаз являются сферы и цилинд-
цилиндры, наз. соответственно сфериче-
сферическими и цилиндрически-
м и. Поверхности равных фаз наз.
также фронтами В. В случае
конечной или одиночной В. фронтом
68
волны
называется пе-
передний край вол-
волны, непосредст-
непосредственно гранича-
граничащий с невозму-
невозмущённой средой.
Интерференция
волн. При прихо-
приходе в данную точ-
точку среды двух В.
Рис. 3. Интерферен-
Интерференция волн на поверх-
поверхности воды, возбуж- важное значение
даемых в двух раз- имеет наложение
личных точках.
т. н. когерент-
когерентных В. (т. е. В.,
разность фаз к-рых не меняется со
временем). В случае когерентности В.
имеет место явление, наз. интерферен-
интерференцией: в точках, куда обе В. приходят
в фазе, они усиливают друг друга,
в точках же, куда они попадают в про-
тивофазе, — ослабляют друг друга.
В результате получается характерная
интерференционная картина (рис. 3).
Стоячие волны. Собственные коле-
колебания. При падении плоской В. на
плоское отражающее препятствие воз-
возникает отражённая плоская В. Если
при распространении В. в среде и при
отражении их от
препятствия не
происходит по-
потерь энергии, то
амплитуды пада-
падающей и отражён-
Рис. 4. Стоячая вол- Jg g %,„„„„
на, возникшая в ре- нои D- раины
зультате интерферен- между собой. От-
ции падающей и от- ражённая В ИН-
ражбнной от, препят- -„„Ар™,,™,,, с пя
ствия АА волны: в терферирует с па-
точке а — узел ко- дающей В., в ре-
лебания, в точках
Ь — пучности.
зультате чего в
тех точках, куда
падающая и от-
отражённая В. приходят в противофа-
зе, результирующая амплитуда падает
до нуля, т. е. точки всё время остаются
в покое, образуя неподвижные узлы
колебаний, а в тех местах, где фазы
В. совпадают, В. усиливают друг
друга, образуя пучности колебаний.
В результате получается т. н. стоя-
стоячая В. (рис. 4). В стоячей В. поток
энергии отсутствует: энергия в ней
(при условии, что потерь нет) пере-
перемещается только в пределах, ограни-
ограниченных смежным узлом и пучностью.
Стоячая В. может существовать
также и в ограниченном объёме.
В частности, в случае, изображённом
на рис. 4, слева, на месте ВВ, можно
вообразить себе такое же препятст-
препятствие, что и справа. Между двумя стен-
стенками будет существовать стоячая В.,
если расстояние между ними равно
целому числу полуволн. Вообще стоя-
стоячая В. может существовать в ограни-
ограниченном объёме лишь в том случае,
если длина В. находится в определён-
определённом соотношении с размерами объё-
объёма. Это условие выполняется для ря-
ряда частот /1? /2,/3,..., наз. собственны-
собственными частотами данного объёма.
Дифракция волн. При падении В.
на непрозрачное для неё тело или на
экран позади тела образуется теневое
пространство (рис. 5,а и 6,а). Однако
границы тени не резки, а размы-
размыты, причём раз-
размытость увели-
увеличивается при
удалении от те-
тела. Это явление
огибания тела
В. наз. дифрак-
ттирй На пяг- Рис- 5- Схема образо-
циеи. па рас вания тени при паде.
стояниях от те- нии волны: а — на
ла, существен- непрозрачное тело; б—
¦не, йппьти на отверстие в непро-
Я?! зрачном экране (d —
чем а*1к, где размер тела или от-
d — его попе- верстия).
речный размер,
тень практически полностью смазана.
Чем больше размеры тела, тем большее
пространство занимает тень. Тела, раз-
размеры к-рых малы по сравнению с дли-
длиной В., вообще не создают тени, они
рассеивают падающую на них В. во
всех направлениях. Изменение ампли-
амплитуды В. при переходе из «освещенной»
области в область тени происходит
по сложному закону с чередующими-
чередующимися уменьшением и увеличением ам-
амплитуды (рис. 6,а и 7), что обуслов-
обусловлено интерференцией В., огибающих
тело.
Дифракция имеет место и при про-
прохождении В. через отверстие (рис.
5,6 и 6,6), где она также выражается
в проникновении В. в область тени
и в нек-ром изменении характера В.
в «освещенной» области: чем меньше
Рис. в. Дифрак-
Дифракционная карти-
картина при падении
света: а — на
круглый экран;
б — на круглое
отверстие.
волны
69
Рис. 7. а — дифракция света от края эк-
экрана; виден сложный переход от света
к тени; б — кривая, характеризующая
освещённость пространства между светом
и тенью; край экрана — нулевое значение
горизонтальной координаты.
диаметр отверстия по сравнению
с длиной В., тем шире область, в
к-рую проникает В.
Поляризация волн. Как уже го-
говорилось, плоскость, в к-рой проис-
происходят колебания поперечной В., пер-
Плосность колебаний
Рис. 8. а—линейно-поляризованная
волна; б — волна, поляризованная по
кругу (Е — вектор, изображающий рас-
распространяющееся возмущение).
пендикулярна направлению распро-
распространения. Эта особенность попереч-
поперечных В. обусловливает возможность
возникновения явления поляризации,
к-рая заключается в нарушении сим-
симметрии распределения возмущений
(напр., смещений и скоростей в уп-
упругих В. или напряжённостей элек-
трич. и магнитных полей в электро-
электромагнитных В.) относительно направ-
направления распространения. В продольной
В., в к-рой возмущения всегда на-
направлены вдоль направления распро-
распространения В., явления поляризации
возникнуть не могут.
Если колебания возмущения Е
происходят всё время в каком-то од-
одном направлении (рис. 8,в), то имеет
место простейший случай линей-
линейно-поляризованной или
плоско-поляризованно й
В. Возможны и другие, более слож~
ные типы поляризации. Напр., если
конец вектора Е, изображающего
возмущение, описывает эллипс или
окружность в плоскости колебаний
(рис. 8,6), то имеет место эллип-
эллиптическая или круговая
поляризация. Скорость рас-
распространения поперечных В. может
зависеть от состояния поляризации.
Поляризация может возникнуть: из-за
отсутствия симметрии в возбуждаю-
возбуждающем В. излучателе, при распростра-
распространении В. в анизотропной среде, при
преломлении и отражении В. на гра-
границе двух сред.
Отражение и преломление волн.
При падении на плоскую границу
раздела двух разных сред плоская В.
частично отражается, частично про-
проходит в другую среду, оставаясь
плоской, но меняет при этом своё на-
направление распространения (прелом-
(преломляется) (рис. 9,й). Углы, образуемые
направлениями падающей и прелом-
преломлённой В. (рис. 9,6) с перпендикуля-
перпендикуляром к границе раздела сред, наз. со-
соответственно углом падения а, углом
отражения аг и углом преломления
а2. Согласно закону отражения, угол
падения равен углу отражения, т. е.
а = «j. Согласно закону преломле-
преломления, синус угла падения относится
к синусу угла преломления, как ско-
сг
Рис. 9. а — схека
отражения и пре-
преломления плоской
а волны (^i — дли-
длина падающей и
отражённой волн, Х2 — длина преломлённой
волны); б — изображение лучей, соответст-
соответствующих падающей, отражённой и пре-
преломлённой волнам.
70
вол ны
рость В. в первой среде к её скорости
во второй среде, т. е.:
sin a/sin a2 = сг1сг = п,
где п — показатель преломления.
Смесь В. с различными состояния-
состояниями поляризации, распространяющая-
распространяющаяся в одном и том же направлении,
разделится, попадая в среду, в к-рой
скорость распространения зависит
от состояния поляризации: В., поля-
поляризованные различно, пойдут по раз-
разным направлениям (двойное лу-
лучепреломление). Во многих
случаях скорость распространения
зависит также от частоты колебаний
(т. е. имеет место дисперсия); в этих
случаях смесь В. с раличными часто-
частотами при преломлении разделится.
При отражении расходящейся (сферич.
или цилиндрич.) В. под малыми уг-
углами к плоской
Р границе раздела
О /I двух сред возника-
N^ jr к ют нек"Рые особен-
с\sV/ Dl ности- Так- напр.,
1ММ»//7%9мм;Ьм когда скорость е2 в
ю г нижней среде боль-
образования б"- ше> чем сх в верхней
новой волны. среде (рис. 10),
кроме обычной отра-
отражённой В., к-рой соответствует луч
ОАР, возникает т. н. боковая В.
Соответствующий ей луч OSDP часть
своего пути (отрезок SD) проходит в
среде, от к-рой происходит отраже-
отражение. Иногда, особенно в сейсмоло-
сейсмологии, боковая В. наз. головной.
Форма волны. Дисперсия и нели-
нелинейность волн. В процессе распрост-
распространения В. её форма претерпевает
изменения. Характер изменений су-
существенно зависит от первоначаль-
первоначальной формы В. Лишь бесконечная
синусоидальная (гармоническая) В.
(за исключением В. очень большой
интенсивности) сохраняет свою фор-
форму неизменной при распространении,
если при этом она не испытывает за-
заметного поглощения. Но всякую В.
(любой формы) можно представить
как сумму бесконечных гармонич.
В. разных частот (как говорят, раз-
разложить в спектр). Напр., одиночный
импульс можно представить как бес-
бесконечную сумму наложенных друг
на друга гармонич. В. Если среда,
в к-рой распространяются В., линей-
линейна, т. е. её свойства не меняются под
действием возмущений, создаваемых
В., то все эффекты, вызываемые не-
гармоиич. В., могут быть определены
как сумма эффектов, создаваемых в
отдельности каждой из её гармонич.
составляющих (т. н. суперпо-
суперпозиции принцип).
В реальных средах нередко скорости
распространения гармонич. В. зави-
зависят от частоты В. (т. н. дисперсия В.).
Поэтому негармонич. В., состоящая
из совокупности гармонич. В. раз-
различных частот, в процессе распрост-
распространения меняет свою форму вслед-
вследствие того, что соотношение между
фазами составляющих её гармонич.
В. меняется. Искажение формы В.
может происходить и при дифракции
и рассеянии негармонич. В., т. к.
оба эти процесса зависят от длины В.,
и поэтому для гармонич. В. разной
длины дифракция и рассеяние будут
происходить по-разному. При нали-
наличии дисперсии изменение формы
негармонич. В. может происходить
также в результате её преломления.
Иногда может искажаться и форма
гармонич. В. Это происходит в тех
случаях, когда амплитуда распрост-
распространяющейся В. достаточно велика,
так что уже нельзя пренебрегать из-
изменениями свойств среды под её воз-
воздействием, т. е. когда сказываются
нелинейные свойства среды. В, нели-
нелинейной среде существенно изменя-
изменяются и другие законы распростране-
распространения В., в частности законы отражения
и преломления (см. Нелинейные эф-
эффекты).
Фазовая и групповая скорости.
Введённая выше скорость В. наз.
фазовой скоростью, это скорость,
с к-рой перемещается к.-н. опреде-
определённая фаза бесконечной синусои-
синусоидальной В. (напр., фаза, соответствую-
соответствующая гребню или впадине). Фазовая
скорость В. входит, в частности,
в формулу закона преломления. Од-
Однако на опыте имеют дело с В. не
в виде бесконечных синусоид, наз.
также монохроматич. В., для к-рых
только и имеет смысл понятие фазо-
фазовой скорости, а с ограниченными В.
Как уже было указано, любая огра-
ограниченная В. может быть представлена
в виде наложения большого (точнее,
бесконечно большого) числа моно-
монохроматич. В. различных частот. Ес-
Если фазовые скорости В. всех частот
одинаковы, то с этой же скоростью
распространяется и вся совокупность,
волны
71
или группа, В. Если же эти скорости
не одинаковы, т. е. имеет место дис-
дисперсия, то вопрос о скорости распро-
распространения ограниченной В. усложня-
усложняется. Если ограниченная В. состоит
из В., частоты к-рых мало отличаются
друг от друга, то эта В., или как её
часто наз. волновой пакет, распрост-
распространяется с определённой скоростью,
наз. групповой скоростью: и = с —
—kdc/di. С групповой скоростью про-
происходит также перенос энергии В.
Эффект Доплера. При движении
источника или наблюдателя проис-
происходит изменение частоты В. Наблюда-
Наблюдатель, движущийся по направлению
к источнику В. (любого вида), вос-
воспринимает несколько повышенную
частоту по сравнению с неподвижным
наблюдателем, между тем как наб-
наблюдатель, удаляющийся от источни-
источника В., воспринимает пониженную
частоту. Аналогичное явление (ка-
(качественно) имеет место также, когда
наблюдатель неподвижен, а источник
В. движется (см. Доплера эффект).
Волны и лучи. Линия, направление
к-рой в каждой точке совпадает с на-
направлением потока энергии в В., наз.
лучом (рис. 9,6). В изотропной среде
это направление совпадает с направле-
направлением нормали к фронту В. Плоской В.
соответствует параллельный пучок
прямолинейных лучей, сферической
В.— радиально расходящийся пучок
и т. д. При нек-рых условиях слож-
сложный расчёт распространения В. можно
заменить более простым расчётом
формы лучей. Этим пользуются в гео-
геометрической акустике и геометрич.
оптике. Такой упрощённый подход
применим, когда длина В. достаточно
мала по сравнению с нек-рыми ха-
характерными размерами, напр, разме-
размерами препятствий, лежащих на пути
распространения В., поперечными
размерами фронта В., расстояниями
до точки, в к-рой сходятся В., и т. п.
Излучение и распространение волн.
Для излучения В. необходимо про-
произвести в среде нек-рое возмущение
за счёт внешнего источника энергии.
Работа, совершаемая этим источни-
источником, за вычетом нек-рых потерь пре-
превращается в энергию излучаемых В.
Так, напр., мембрана телефона или
диафрагма громкоговорителя, полу-
получая энергию от электроакустического
преобразователя, излучает звуковые
В. Излучение В. производится всег-
всегда источниками ограниченных раз-
размеров, в результате чего возникает
расходящаяся В.
Волновое уравнение. Несмотря на
разную природу В., закономерности,
к-рыми определяется их распростра-
распространение, имеют между собой много об-
общего. Так, упругие В. в однородных
жидкостях (газах) или электромаг-
электромагнитные В. в свободном пространстве
(а в нек-рых случаях и в пространст-
пространстве, заполненном однородным изотроп-
изотропным диэлектриком), возникающие в
к.-л. малой области («точке») и рас-
распространяющиеся без поглощения
в окружающем пространстве, под-
подчиняются одному и тому же волново-
волновому уравнению. Пусть сферическая В.
возбуждается синусоидальными ко-
колебаниями в начале прямоугольной
системы координат х, у, z. Эти воз-
возмущения повторяются с запозданием
на время t = г/с, а также с нек-рым
уменьшением амплитуды на любом
расстоянии г = ~\/ х2 -\- у2 -\- z2 от
начала. Если можно пренебречь за-
затуханием В. в среде (обусловленным
трением частиц среды и др. причина-
причинами), то амплитуда В. будет убывать
обратно пропорционально расстоя-
расстоянию г. С учётом запаздывания во вре-
времени и убывания амплитуды мате-
матич. выражение сферической В.
будет иметь следующий вид:
При увеличении расстояния кри-
кривизна сферич. поверхности стремится
к нулю и В. на определённых, не
слишком больших, участках прост-
пространства может быть принята за плос-
плоскую В., математич. выражение к-рой
где х — направление распростране-
распространения В.
Обе В. являются лишь частными
видами решений дифференциального
ур-ния 2-го порядка с частными про-
производными
d2W 62W 02W 1 92W
Эх2 г" ду2 ~* бг2 "с2" * dt2 ' ' '
наз. волновым уравнен и-
е м, к-рое можно записать сокращён-
сокращённо:
с* б*2 '
где Д — оператор Лапласа.
72
ВОЛНЫ КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУДЫ
Различные случаи волнового дви-
движения отличаются друг от друга гра-
граничными и начальными условиями.
Эти условия характеризуют состояние
В. на границах тел, а также состояние
волнового процесса в начальный мо-
момент времени и должны быть заданы
независимо от волнового ур-ния.
При помощи более частных видов
волнового ур-ния описывается рас-
распространение В. в одном и двух изме-
измерениях. Так, распространение В. по
струне (одно измерение) описывается
волновым ур-нием
d'W 1 d'W
~дх' ~~ Т5" * dt' '
а распространение волн по натяну-
натянутым плёнкам-мембранам (два измере-
измерения) ур-нием
d'W . d'W _ 1 d'W
dx2 "•" ду' с2 dt2 '
Ур-ние для стоячих В., или соб-
собственных колебаний, получится, ес-
если положить W = Л sin y *> гДе
А — ф-ция x,y,z. Подставляя это
выражение в ур-ние C), получим вол-
волновое ур-ние, не содержащее произ-
производной по времени (ур-ние Гельм-
гольца) :
d'W . d'W . d'W
дх'
ду'
k?W = 0, E)
где к = 2п/к = 2я//с — волновое чи-
число, т. е. число В. на отрезке 2я см.
Ур-ние E) допускает решение в ви-
виде стоячих В. в замкнутом объёме,
удовлетворяющих определённым гра-
граничным условиям, только для опреде-
определённого ряда частот flt /2, ... , наз.
частотами собственных колебаний.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959; К р а с и л ь-
н и к о в В. А., Звуковые и ультразвуковые
волны в воздухе, воде и твердых телах,
3 изд., М., 1960; Бреховских Л. М.,
Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973;
Крауфорд Ф., Волны, пер. с англ.,
М., 1974 (Берклеевский курс физики, т. 3).
Л. М. Бреховских.
ВОЛНЫ КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУ-
АМПЛИТУДЫ — акустические волны большой
интенсивности, к-рые при распрост-
распространении в среде влияют на её свойства,
вызывая нелинейные эффекты.
ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ -
колебания, возникающие в к.-л. систе-
системе под воздействием переменной внеш-
внешней силы (например, колебания пье-
зоэлектрич. пластинки под действием
переменного электрич. поля или ко-
колебания диафрагмы приёмника звука
под действием падающей на неё зву-
звуковой волны). Характер В. к. опре-
определяется как характером внешней си-
силы, так и свойствами самой системы.
В начале действия периодич. внешней
силы характер колебаний системы
изменяется со временем (в частности,
колебания её не являются периоди-
периодическими), и лишь по прошествии не-
некоторого времени в системе устанав-
устанавливаются периодич. В. к. с периодом,
равным периоду внешней силы (ус-
(установившиеся В. к.). Установление
В. к. в колебательной системе про-
происходит тем быстрее, чем больше за-
затухание колебаний в этой системе.
Так, в линейных колебательных систе-
системах процесс установления В. к. пред-
представляет собой результат наложения
установившихся В. к. и затухающих
собственных колебаний. При включе-
включении внешней силы в системе одно-
одновременно возникают собственные ко-
колебания и В. к., причём амплитуды
этих колебаний в начальный момент
равны, а фазы противоположны (рис.).
Установившиеся В. к.
Собственные колебания
После постепенного затухания соб-
собственных колебаний в системе ос-
остаются только установившиеся В. к.
Если частота внешней силы не сов-
совпадает с частотой собственных коле-
колебаний, но близка к ней, то переход-
переходный процесс, во время к-рого сосу-
сосуществуют собственные и В. к., харак-
характеризуется периодич. изменением ам-
амплитуды, т. н. биениями.
Амплитуда В. к. определяется
амплитудой действующей силы и за-
затуханием системы. Если затухание
мало, то амплитуда В. к. существен-
существенно зависит от соотношения между
частотой действующей силы и часто-
частотой собственных колебаний. При
приближении частоты внешней си-
силы к собственной частоте системы
амплитуда В. к. резко возрастает —
наступает резонанс.
Лит.: X а й к и н С. Э., Физические ос-
основы механики, 2 изд., М., 1971.
г
ГАЗОСТРУЙНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ—
механические генераторы звуковых
и УЗ-вых колебаний, не имеющие дви-
движущихся частей, источником энергии
к-рых служит кинетическая энергия
газовой струи. Г. и. делятся на из-
излучатели низкого давления, наз.
свистками, и высокого давления —
разного рода мембранные излучатели,
Гартмана генератор и его разновид-
разновидности.
Свистки работают при дозвуковых
режимах истечения струи: при работе
в воздухе перепады между рабочим
давлением и давлением окружающей
атмосферы у них не достигают крити-
критического значения 1,9 кгс/см2; у ге-
генератора Гартмана и его разновидно-
разновидностей перепады давления сверхкрити-
сверхкритические.
Г. и. наряду с сиренами являются
почти единственными мощными ис-
источниками акустич. колебаний для
газовых сред, в к-рых из-за малого
волнового сопротивления излучатели
с твёрдой колеблющейся поверхно-
поверхностью практически не применяются.
В нек-рых случаях (напр., в УЗ-вых
форсунках) газоструйные излучатели
используются и для воздействия на
жидкость.
Г. и. низкого давления отличают-
отличаются сравнительно высоким кпд (до
30%), но акустич. мощность их неве-
невелика и обычно не превышает несколь-
нескольких Вт, в связи с чем они использу-
используются гл. обр. в контрольно-измери-
контрольно-измерительных устройствах. Для повышения
излучаемой мощности применяются
батареи идентичных свистков. Одна-
Однако из-за необходимости синхрониза-
синхронизации отдельных излучателей такие
системы сложны по конструкции и
поэтому менее пригодны для про-
промышленных установок, чем Г. и. вы-
высокого давления, несмотря на мень-
меньшую экономичность последних. Г. и.
высокого давления более компактны
и позволяют получать в диапазоне
высоких звуковых и низких УЗ-вых
частот акустич. мощность до десят-
десятков и сотен Вт. При работе в непре-
непрерывном режиме излучения Г. и. ис-
используются в ряде технологич. уст-
устройств: в установках для акустич.
коагуляции аэрозолей, в акустич.
газовых и мазутных горелках (см.
Горение в ультразвуковом поле), в си-
системах ускорения процессов тепломас-
тепломассообмена в ультразвуковом поле и др.
При работе в импульсном режиме,
к-рый достигается путём импульсной
подачи сжатого газа или периодич.
срывом генерации в Г. и. с помощью
механич. заслонок, они применяются
в устройствах ультразвуковой лока-
локации и системах дистанционного уп-
управления.
В УЗ-вых технологич. установках,
где решающую роль играют большая
мощность звука и простота устрой-
устройства, применяются в основном Г. и.
высокого давления. В генераторе
Гартмаяа используется неустойчи-
Рис. 1. Схема стержневого газоструйного
излучателя: 1 — сопло; 2 — стержень;
3 — резонатор; 4 — волны разрежения;
5 — косые скачки уплотнения; 6 — от-
отсоединённый скачок уплотнения; 7 —¦
граница струи (для наглядности резона-
резонатор расположен так, что рабочей является
вторая ячейка, хотя работа осуществля-
осуществляется в первой ячейке).
вость сверхзвуковой струи при тор-
торможении её твёрдой стенкой. Основ-
Основной недостаток его — низкий кпд
E—6%) — в значительной мере ус-
устранён в стержневых Г. и., работаю-
работающих по тому же принципу, но отли-
отличающихся от «классического» прото-
прототипа наличием центрального стержня
2 (или трубки), проходящего по оси
системы через сопло 1 и резонатор 3
(рис. 1). Стержень служит для крепле-
крепления резонатора и одновременно иг-
играет важную аэродинамич. роль,
изменяя профиль скорости в струе.
74
ГАЗОСТРУЙНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Кроме того, наличие твёрдой грани-
границы вблизи оси струи приводит к изме-
изменению структуры косых скачков
уплотнения и разрежения в ячейке
(см. Гартмана генератор) и к умень-
уменьшению её длины, благодаря чему
почти при неизменных расходе газа
и акустич. мощности повышается
частота генерации.
В пределах рабочих перепадов
давлений Рп= Ро — Рл = 1,5 —
4 кгс/см2 (Ро и РА — давления в соп-
сопле и в окружающей атмосфере), ха-
характерных для работы стержневых
газоструйных излучателей, длина пер-
первой ячейки До в струе, вытекающей из
сопла диаметром dc с центральным
стержнем диаметром dCT, выражается
зависимостью:
Стержневые Г. и. работают в широ-
широком интервале изменения расстояния
I сопло— резонатор @,4dc<C Z <[l,2dc)
и глубины h резонатора [1,21^A +
+/г)^2,1А0]. При этом частота генера-
генерации / при Ри = 3 кгс/см2 определя-
определяется по ф-ле:
/=:
4[ft+0,4!+(dp — <JCT)@,4 — 0,2/i/dc)] Ц'
где с — скорость звука в м/с, dp —
диаметр резонатора (все размеры
в мм). При давлениях, отличных от
3 кгс/см2, для режимов, близких к
оптимальной настройке(максимальная
излучаемая мощность) и наблюдаю-
наблюдающихся при h =к I, в ф-лу следует вве-
ввести множитель
Ф = 0,78"У>и - 0,93.
Максимальная мощность в стержне-
стержневом Г. и. достигается при dp/dc=l,6.
При этом существуют две области,
равноценные по мощности, ло отли-
отличающиеся по частоте генерации и по
направлению выхода отработанного
воздуха. В первой (высокочастотной)
области (рис. 2,а), характеризуемой па-
параметрами настройки 1г + hi =1,ЗД0,
отработанный газ, выходя из резона-
резонатора, движется в сторону сопла и об-
обтекает его с наружной стороны,
благодаря чему при работе Г. и. в
этом режиме можно полностью уда-
удалить отработанный газ из озвучивае-
озвучиваемого пространства. Во второй облас-
области генерации (низкочастотной) газ
обтекает резонатор (рис. 2,6); этот
режим, возникающий при /2 -}- h% =
=2Д0, используется, напр., в акустич.
газовых горелках, когда Г. и. одно-
одновременно играет роль газового сопла,
через к-рое подаётся горючий газ.
"У
2Д0
h2
С:—¦—™™
Рис. 2. Схема выброса отработанного газа
при работе в высокочастотной области ге-
генерации (а) и в низкочастотной (б).
Максимальный кпд стержневых Г. и.
приближается к кпд свистков и сос-
составляет 18—25%.
Стержневые Г. и. можно считать
точечными источниками звука, не об-
обладающими направленностью; для
создания однонаправленного излуче-
излучения их помещают в рефлекторы или
согласующие рупоры. При этом мож-
можно получать интенсивности звука
2—5 Вт/см2, а с применением эллип-
эллиптических рефлекторов — до 40—60
Вт/см2.
Мембранные Г. и. работают на
принципе возбуждения колебаний
эластичной мембраны. К мембране под-
поджимают цилиндрич. сопло с фланцем
и продувают через него сжатый газ,
возбуждающий колебания мембраны.
Для максимального излучения диа-
диаметр мембраны должен вдвое превос-
превосходить диаметр фланца. Такие Г. и.
работают без выброса отработанного
воздуха в зону озвучивания, но их
мощность и коэффициент полезного
действия значительно уступают мощ-
мощности и кпд других типов Г. и.
Лит.: Источники мощного ультразвука,
М., 1967 (Физика и техника мощного ультра-
ультразвука, кн. I); Hartmann I, T r u n d-
so E., Synchronisation of air-Jet generators
with an appendix on the stem generator,
«Dann. Math. Fys. Medd.», 1951, bd 26,
№10. Ю. Я. Борисов.
ГАЛЬТОНА СВИСТОК — газо-
газоструйный излучатель звуковых и
УЗ-вых волн, работающий при малых
скоростях истечения газа. Г. с. пред-
представляет собой сопло 1 (рис. 1) с узкой
кольцевой щелью, перед к-рой рас-
расположен полый цилиндрич. резона-
резонатор с острыми клиновидными края-
краями. Газ, выходящий из щели под не-
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
75
большим избыточным давлением (обыч-
(обычно не превышающим 0,1 кгс/см2),
попадает на острый край резонатора,
возбуждая на нём периодич. вихри.
Частота / клинового тона определяется
скоростью истечения газа v и расстоя-
расстоянием I между со-
плом и остриём
клина:
(t = i,2,3,...).
5 Одна из гармо-
'О нич. составляю-
2
Рис. 1. Схема сви-
свистка Гальтона: 1 —
сопло; 2 — вкла-
вкладыш; з — резона-
резонатор; 4 — подвиж-
подвижное дно резпнато-
ра; 5 — крепёжная
скоба.
щих (обычно первая) усиливается ре-
резонатором и излучается в окружающее
пространство в виде акустич. волн.
Частота звука, излучаемого Г. с, за-
зависит от глубины h резонатора и по-
положения его по отношению к соплу
(параметр I), к-рые регулируются
с помощью микрометрич. винтов. На-
Настроенный Г. с. работает на частоте
где с — скорость звука в газе, проду-
продуваемом через сопло, s — коэфф., за-
зависящий от давления газа. Для воз-
воздуха при изменении избыточного дав-
давления от 0,03 до 0,4 кгс/см2 s меняется
в пределах 7,3—4,7 (s выражается
в тех же единицах, что и Ь). При ра-
работе на воздухе акустич. мощность
Г. с. на частоте 50 кГц составляет не-
несколько Вт. Значение частоты 50 кГц
является практически предельным для
Г. с. при продувке воздухом; для по-
повышения частоты излучения либо по-
повышают темп-ру рабочего тела, либо
применяют газы с высокой скоростью
звука (с водородом, напр., получены
частоты до 170 кГц). Как большинство
газоструйных излучателей низкого
давления, Г. с. имеет сравнительно
высокий кпд —• 15—25%. Вследствие
малой мощности «классические» Г. с.
применяются в основном для дистан-
дистанционного управления механизмами (на
расстояниях до 15 м), а также для бес-
бесшумной или охранной сигнализации.
В современных вариантах Г. с. обеспе-
обеспечена автоматич. подстройка частоты
А-
клинового тона под заданную частоту
резонатора, а также в 3 раза увеличе-
увеличена мощность за счёт использования
отработанного газа для периодич. от-
отклонения струи путём установки спе-
специального рассекателя 3 (рис. 2).
Для увеличения
акустич. мощности
применяются также
мно госвистковые
устройства, состоя-
состоящие из идентичных
излучателей, син-
синхронизация к-рых
осуществляется с
Рис. 2. Модифициро-
Модифицированный свисток Галь-
Гальтона: 1 — резонатор;
2 — сопло; 3 — вкла-
вкладыш с рассекателем;
4 — выравнивающая
трубка для синхрони-
синхронизации.
помощью полуволновых трубок, сое-
соединяющих полости резонаторов.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957; Матаушек И., Ультра-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962.
Ю. Я. Борисов.
ГАРМОНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ —
волны, в к-рых все изменения состоя-
состояния среды происходят по синусоидаль-
синусоидальному закону. Напр., в звуковой волне
по закону синуса меняется звуковое
давление, колебательная скорость ча-
частиц и т. п. (см. Волны, Гармониче-
Гармонические колебания).
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБА-
КОЛЕБАНИЯ — колебания, при к-рых физиче-
физическая величина изменяется с течением
времени по синусоидальному закону:
х = A cos (wt -f- ф),
где х — значение колеблющейся ве-
величины в данный момент времени t
(для механич. Г. к., напр., х — коле-
колебательное смещение частиц или ко-
V
лебательная скорость частиц), А —
амплитуда колебаний (рис.), со — кру-
круговая частота колебаний, (Ш + ф) —
фаза колебаний, <р — начальная фаза
колебаний.
76
ГАРТМАНА ГЕНЕРАТОР
Г. к. занимают среди всех разнооб-
разнообразных форм колебаний важное ме-
место, т. к., во-первых, на практике
очень часто встречаются колебатель-
колебательные процессы, по форме близкие к
Г. к., во-вторых, при воздействии Г. к.
на линейные колебательные системы
с постоянными параметрами в них воз-
возникают вынужденные колебания, имею-
имеющие ту же форму (когда форма внеш-
внешнего воздействия отличается от Г. к.,
форма вынужденного колебания си-
системы отличается от формы внешнего
воздействия). Иначе говоря, в боль-
большинстве случаев Г. к.— единственный
тип колебаний, форма к-рых не иска-
искажается при воспроизведении. Особое
значение Г. к. определяется тем, что
любое негармонич. колебание можно
представить в виде спектра Г. к.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959; X а й к и н С. Э.,
Физические основы механики, 2 изд., М.,
1971.
ГАРТМАНА ГЕНЕРАТОР — газо-
газоструйный излучатель высокого давле-
давления звуковых и УЗ-вых волн, работа
к-рого основана на использовании ав-
автоколебаний, возникающих в сверх-
Рис. 1. Генератор Гартмана. а — схема:
1 — сопло, 2 — резонатор, 3 — скоба для
крепления резонатора, 4 — отсоединён-
отсоединённый скачок уплотнения, Рс — давление
на срезе сопла; б — распределение стати-
статического давления вдоль оси в свободной
струе (без резонатора).
звуковой струе при её торможении ре-
резонатором. Г. г. состоит из конич.
сопла 1 (рис. 1,а) и расположенного
перед ним соосно цилиндрич. резона-
резонатора 2. При сверхкритич. перепаде
давлений между давлением в сопле
Ро и в окружающей атмосфере Ра
струя вне сопла становится сверхзву-
сверхзвуковой и приобретает ячеистую струк-
структуру. Длина первой ячейки Ао (в к-рой
обычно и ведётся работа), определяю-
определяющая диапазон частот генерации, зави-
зависит от диаметра сопла dc и избыточ-
избыточного давления Ри = Ро — Ра:
ДО=1,ШС/РИ —0,93
(Ри — в кгс/см2). При торможении
струи резонатором перед ним возни-
возникает отсоединённый скачок уплотне-
уплотнения 4, а кинетич. энергия струи в ре-
резонаторе переходит в потенциальную
энергию сжатого газа. Если резона-
резонатор находится в области, где давле-
давление в свободной струе повышается
(т. н. зона неустойчивости), то про-
процесс опорожнения резонатора стано-
становится периодическим. Область не-
неустойчивости начинается на расстоя-
расстоянии ai от сопла:
% = de [1 + 0,041 (Ри- 0,93J]
и конец её определяется длиной До
(точка &i на рис. 1,6). Взаимодействие
струй основной и вытекающей из ре-
резонатора приводит к тому, что участок
струи между скачком уплотнения 4
и дном резонатора становится источ-
источником мощных акустич. колебаний.
Однако детально механизм образова-
образования в струе периодич. ударных волн,
излучаемых в окружающее простран-
пространство, не выяснен.
Для настройки Г. г. дно резонатора
делают подвижным (с целью измене-
изменения глубины резонатора h), а сам
резонатор — перемещающимся по от-
отношению к соплу. Для «классиче-
«классического» Г. г. характерны следующие
соотношения между основными кон-
конструктивными размерами: dp/dc = 1
(dp — диаметр резонатора), h ='dc и
до > I > 0,66(Д0 — ai). При таких
соотношениях частота генерации опре-
определяется лишь размерами резонатора
и скоростью с звука в газе, продувае-
продуваемом через сопло:
t
4 (Л + 0,3dp)
Гц.
Для воздуха при частотах свыше 50—
60 кГц размеры резонатора становят-
становятся очень малыми, а излучаемая мощ-
мощность не превышает единиц Вт. По-
Поэтому для получения более высоких
частот следует использовать газы с вы-
высокой скоростью звука (с водородом
получены частоты до 180 кГц). Мощ-
Мощность звука, излучаемая Г. г., зави-
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
77'
сит от расхода газа и для воздуха
определяется ф-лой:
Wa = 295/ УРИ - 0,93 Вт,
где dc — в см. При больших расхо-
расходах газа (на низких частотах генера-
генерации) Wa достигает сотен Вт. Макси-
Максимальный кпд Г. г. составляет 5—6%
(при Ри = 2 кгс/см2), уменьшаясь
с повышением давления; при Ри >
> 4 кгс/см2 периодическая структу-
1200
1000
800
400
200
/
/ '
A
i ^
A
\\
k=j.s->v
*4кгс/сл
с/см'
4 8 12 16 (,мм
Рис. 2. Зависимость акустической мощ-
мощности от параметра I и избыточности дав-
давления воздуха в генераторе Гартмана
с dc = 6 мм при dp/dc = 1,66.
pa струи нарушается, поэтому работа
Г. г. на воздухе возможна в интервале
давлений 0,21 < Ра/Р0 < 0,528. От-
Отдаваемая мощность сильно зависит
от параметров настройки, и в частно-
частности от I (рис. 2), поэтому формула
для Wa справедлива лишь для Г. г.
с da = dp — h. При увеличении dv/dc
до 1,6 мощность и кпд возрастают
в 2—3 раза, в связи с чем в современ-
современных Г. г. dp ^ 1,6 dc.
Г. г. обычно работает в рефлекторе,
обеспечивающем необходимую на-
направленность излучения; с параболич.
рефлектором можно получить плоскую
волну, с эллиптическим — сходящую-
сходящуюся, при этом интенсивность звука
в фокусе достигает десятков Вт/см2.
Для согласования излучателя со сре-
средой применяются также рупоры. Т. к.
мощность одиночных Г. г. на высоких
частотах невелика (Wa ~ /~2), для
получения повышенной мощности при-
применяют батареи идентичных Г. г.,
работающих на общий рупор и син-
синхронизованных вторичным (обычно
тороидальным) резонатором. Для Г. г.,
работающих на звуковых частотах,
используют рупоры экспоненциаль-
ной формы, а на УЗ-вых, где согласо-
согласование менее существенно и важна
лишь определённая направленность
излучения,— конические.
Существует много разновидностей
Г. г., в том числе с дисковыми и щеле-
щелевыми соплами для увеличения расхода
газа и, следовательно, акустич. мощ-
мощности; однако последние имеют пони-
пониженный кпд (до 1—2%). Г. г. со сверх-
сверхзвуковым соплом Лаваля может ра-
работать при более высоких перепадах
давления (до 6—7 кгс/см2). На прак-
практике наибольшее распространение по-
получили Г. г. с центральным стержнем,
расположенным между соплом и ре-
резонатором (см. Газоструйные излуча-
излучатели), к-рые обладают повышенным
кпд и высокой стабильностью. Г. г.
применяются в устройствах для аку-
акустич. коагуляции аэрозолей, пенога-
шения, интенсификации процессов
тепломассообмена в ультразвуковом
поле и др.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957; Источники мощного ультра-
ультразвука, М., 1967 (Физика и техника мощного
ультразвука, кн.1). Ю. Я. Борисов.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ АКУСТИ-
АКУСТИКА — упрощённая теория распро-
распространения звука, пренебрегающая
дифракционными явлениями (см. Ди-
Дифракция звука). Г. а. основана на
представлении о звуковых лучах,
вдоль каждого из к-рых звуковая
энергия распространяется независимо
от соседних лучей. В однородной среде
звуковые лучи — прямые линии. Г. а.
позволяет рассматривать образование
звуковых теней позади препятствий,
отражение и преломление лучей на
границе между средами или на грани-
границе между средой и препятствием (см.
Отражение звука, Преломление звука),
фокусировку звука акустич. линзами
и зеркалами, рефракцию лучей в не-
неоднородных средах, рассеяние звука
в статистически-неоднородных средах
с крупномасштабными неоднородно-
стями и т. д. Расчёт звуковых полей
при помощи Г. а. даёт удовлетвори-
удовлетворительную точность только при длине
волны звука, достаточно малой по
сравнению с характерными размера-
размерами параметров задачи (как, напр.,
размерами препятствия, фокусирую-
фокусирующей линзы). Г. а. неприменима или
даёт значительную погрешность в об-
областях, где вследствие волновой при-
природы звука существенны дифракцион-
78
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
ные явления (напр., в переходной об-
области вблизи границы звуковой тени,
вблизи мест фокусировки и т. п.),
к-рые в Г. а. не учитываются принци-
принципиально.
С математической точки зрения Г. а.
есть предельный случай волновой
теории распространения звука при
стремлении длины волны к нулю и в
этом отношении аналогична геомет-
геометрической оптике в теории распростра-
распространения света.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959. М. А. Исакович.
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕН-
АНТЕННЫ — устройства, обеспечивающие
приём или излучение звука в водной
среде и обладающие пространственной
избирательностью. Г. а. различаются
по конфигурации, т. е. цо пространст-
пространственному распределению колеблющих-
колеблющихся элементов — электроакустиче-
электроакустических преобразователей (линейные, по-
поверхностные, в т. ч. плоские, цилинд-
рич., сферич., конформные — повто-
повторяющие обводы носителя, и объём-
объёмные); по принципу создания простран-
пространственной избирательности (дискрет-
(дискретные, непрерывные, фокусирующие,
рупорные); по режиму работы (приём-
(приёмные, излучающие, приёмно-излучаю-
щие); по назначению аппаратуры,
в к-рую они входят (для шумопелен-
гования, эхопеленгования, навига-
навигации, подводной связи и пр.).
Дискретные Г. а. состоят из отдель-
отдельных электроакустич. преобразовате-
преобразователей. У непрерывных Г. а. колебатель-
колебательная скорость поверхности меняется
непрерывно от точки к точке (приме-
(примером таких Г. а. может служить набор
преобразователей, излучающих или
принимающих звук через упругий
слой — накладку). У фокусирующих
Г. а. формирование пространственной
избирательности осуществляется по-
посредством отражения звуковой вол-
волны — т. н. рефлекторные или зер-
зеркальные Г. а.— или её преломления
нек-рыми поверхностями или среда-
средами — линзовые Г. а. (см. Рефлекторы
акустические, Зеркала, Линзы). Ру-
Рупорные Г. а. также имеют в своём
составе отражающие поверхности, но
в отличие от рефлекторных эти поверх-
поверхности находятся в непосредственной
близости от преобразователя и лишь
направляют (канализируют) поток
звуковой энергии в определённом на-
направлении, не производя преобразова-
преобразования фронта волны (сферического
в плоский или наоборот).
Пространственная избирательность
(или направленность) Г. а. определяет-
определяется характеристикой направленности
п коэфф. концентрации. Эффектив-
Эффективность Г. а. как преобразователя энер-
энергии (электрической в акустическую
или наоборот) характеризуется коэфф.
полезного действия, полной и удель-
удельной излучаемой акустич. мощностью,
чувствительностью в режиме излуче-
излучения или приёма, а также внутренним
сопротивлением отдельных преобра-
преобразователей или Г. а. в целом.
В режиме излучения Г. а. работает
совместно с генераторным устройст-
устройством, в общем случае состоящим из
задающего генератора и многоканаль-
многоканального усилителя мощности, причём
каждый канал подключается к одному
или нескольким преобразователям
Г. а. В каждом канале имеется уст-
устройство, позволяющее регулировать
амплитуду и фазу подводимого к пре-
преобразователю напряжения и таким
образом регулировать колебательную
скорость его рабочей поверхности.
В режиме приёма напряжения, раз-
развиваемые отдельными преобразовате-
преобразователями, поступают на вход многоканаль-
многоканального усилителя, в каждом канале
к-рого также имеется устройство, спо-
способное изменять амплитуду и фазу
напряжения; выходные сигналы всех
каналов суммируются и поступают на
индикатор. Т. о., имеется возмож-
возможность введения, вообще говоря, про-
произвольного амплитудно-фазового рас-
распределения напряжений в отдельных
каналах до их сложения.
Наличие амплитудно-фазовых рас-
распределений позволяет управлять па-
параметрами Г. а., и в первую очередь
её характеристикой направленности.
Известно, напр., что падение ампли-
амплитуды к краям Г. а. уменьшает уровень
добавочных максимумов и расширяет
основной максимум. Уменьшение амп-
амплитуды колебательной скорости в цен-
центральной части Г. а., наоборот, обост-
обостряет основной максимум характери-
характеристики направленности, увеличивая до-
добавочные. Среди различных извест-
известных фазовых распределений наиболь-
наибольшее распространение получили такие,
к-рые обеспечивают синфазное сложе-
сложение создаваемых отдельными преобра-
преобразователями звуковых сигналов в
нек-ром заданном направлении, т. е.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
79
осуществляют компенсацию разности
фаз этих сигналов, возникающую при
синфазном излучении. Устройства,
обеспечивающие введение такого фа-
фазового распределения, наз. компенса-
компенсаторами, а направление синфазного
сложения сигналов — направлением
компенсации. В режиме приёма ком-
компенсация обеспечивает синфазное
сложение напряжений от отдельных
преобразователей при падении звуко-
звуковой волны из заданного направления
(обратного направлению компенсации
в режиме излучения). Если при излу-
излучении или приёме вводится частотно-
зависимое фазовое распределение,
напр, с помощью временных задержи-
задерживающих цепей, то эффект компенса-
компенсации наблюдается в широкой полосе
частот, что используется в шумопе-
ленговании и при излучении сложных
гидроакустич. сигналов. Обычно на-
направление компенсации совпадает
с направлением главного максимума
характеристики направленности Г. а.,
и поэтому, изменяя определённым
образом фазовое распределение, мож-
можно осуществлять последовательный об-
обзор пространства. В режиме приёма
возможен и одновременный обзор про-
пространства путём создания «веера» ха-
характеристик направленности, но в этом
случае приёмная аппаратура сущест-
существенно усложняется, т. к. необходимо
иметь несколько сумматоров (по числу
характеристик направленности в «вее-
«веере») и напряжение от каждого преоб-
преобразователя подавать на каждый сум-
сумматор со своим фазовым или времен-
временным сдвигом. Подобным образом мож-
можно формировать и набор характерис-
характеристик, заполняющий нек-рый заданный
сектор пространства.
Управление положением главного
максимума характеристики направ-
направленности в пространстве можно осу-
осуществлять не только посредством из-
изменения фазового распределения, но
и путём механич. поворота Г. а. или
путём изменения положения компенси-
компенсированного рабочего участка криволи-
криволинейной поверхностной (напр., круго-
круговой, цилиндрической) Г. а.
Форма антенны в нек-рой степени
определяет эффективный сектор об-
обзора. Плоская неподвижная антенна
наиболее удобна для формирования
характеристик направленности, груп-
группирующихся вблизи нормали к её
поверхности; цилиядрич. антенна
с вертикальной осью симметрии обыч-
обычно используется для формирования
горизонтального «веера» характери-
характеристик направленности или нескольких
«вееров», расположенных в конич. по-
поверхностях с вертикальной осью сим-
симметрии; сферич. антенна может исполь-
использоваться для формирования простран-
пространственного «веера», перекрывающего
полный телесный угол.
Кроме амплитудно-фазового рас-
распределения и конфигурации Г. а.,
большое влияние на её параметры ока-
оказывают расстояние между центрами
соседних преобразователей и их раз-
размеры, если они больше половины дли-
длины звуковой волны, особенно в случае
компенсированной в каком-то направ-
направлении Г. а. Характеристика направ-
направленности Г. а., состоящей из ненаправ-
ненаправленных преобразователей, может иметь
несколько максимумов, равных ос-
основному.
Лит.: Карлов Л. Б., Ш о ш к о в
Е. Н., Гидроакустика в военном деле, М.,
1963; Простаков А. Л., Гидроакусти-
Гидроакустика в иностранных флотах, Л., 1964; Хор-
тон Дж. Уоррен, Основы гидролокации,
пер. с англ., Л.,1961;СмарышевМ.Д.,
Направленность гидроакустических антенн,
Л., 1973. ' М. Д. Смарышев.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗЛУ-
ИЗЛУЧАТЕЛИ — устройства, преобразую-
преобразующие часть энергии турбулентной за-
затопленной струи жидкости в энергию
акустич. волн. Работа Г. и. основана
на генерировании возмущений в жид-
жидкой среде в виде нек-рого поля скоро-
скоростей и давлений при взаимодействии
вытекающей из сопла струи с препят-
препятствием определённой формы и разме-
размеров либо при принудительном перио-
дич. прерывании струи. Эти возмуще-
возмущения оказывают обратное действие на
основание струи у сопла, способствуя
установлению автоколебательного ре-
режима. Механизм излучения звука
возмущениями может быть различ-
различным в зависимости от конструкции
Г. и., к-рая принципиально отличается
от конструкции газоструйных излуча-
излучателей для воздушной среды, хотя Г. и.
и называют жидкостными свистками.
Наибольшее распространение полу-
получили пластинчатые Г. и., состоящие
из погружённых в жидкость прямо-
прямоугольного щелевого сопла (рис. 1)
и заострённой в сторону струи пла-
пластинки, к-рая крепится в узловых
точках (рис. 1,о) либо консольяо
(рис. 1,6). При натекании на пластин-
пластинку потока жидкости в ней возбужда-
80
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
ются изгибные колебания, основная
собственная частота к-рых /пл =
= (at/I2) У~Е/р, где а — коэфф. про-
пропорциональности, зависящий от спо-
способа крепления пластинки, I — её
длина, t — толщина, Е — модуль
упругости, р — плотность материала,
из к-рого она изготовлена; если все
перечисленные величины выражены
в единицах системы СГС, то при
креплении пластинки в двух узлах
а = 2,82, а консольно а = 0,162.
Наличие присоединённой массы не-
несколько понижает значение /пл. В на-
натекающей струе возникают автоколе-
автоколебания с частотой fc=kv/h, где v — ско-
скорость струи, h — расстояние между
соплом и пластинкой, а к — коэфф.
пропорциональности, зависящий от
v w h. Для возбуждения интенсивных
колебаний необходимо совпадение /с
Рис. 1. Схемы пластинчатых гидродина-
гидродинамических излучателей с креплением пла-
пластинки а — в узловых точках, б — кон-
консольно: 1 — сопло; 2 — пластинка; 3 —
точки крепления (узлы колебаний).
и /пл. На практике настройка пла-
пластины в резонанс с колебаниями струи
не представляет особых трудностей
и осуществляется регулировкой ско-
скорости истечения струи и изменением
расстояния между соплом и пластин-
пластинкой. ' Пластинчатые Г. и. генерируют
колебания с частотами —2—35 кГц.
Излучение акустич. энергии при ра-
работе пластинчатых Г. и. осуществля-
осуществляется в основном за счёт колеблющейся
пластинки в направлении, перпенди-
перпендикулярном её плоскости, с максимумом
посредине опор (рис. 1,а) либо вблизи
свободного конца (рис. 1,6).
В другой модификации Г. и. исполь-
используется кольцевое щелевое сопло 1
( )ис. 2), образованное двумя конич.
поверхностями, а колеблющимся пре-
препятствием служит полый цилиндр 2,
к-рый разрезан вдоль образующих
так, что создаётся система расположен-
расположенных по окружности консольных пла-
пластин.
Возможен и другой механизм из-
излучения Г. и.— за счёт пульсации
Рис. 2. Схема пластинчатого гидродина-
гидродинамического излучателя с кольцевым соп-
соплом 1 и расположенными по окружности
консольными пластинами г.
кавитационной области, образую-
образующейся между соплом и препятствием.
Основные элементы такого излучате-
излучателя — конусно-цилиндрич. сопло 1
(рис. 3), препятствие — отражатель 2
и резонансная колебательная система
в виде стержней 3, расположенных
вдоль образующих цилиндра с осью
сопло — отражатель. Она может быть
изготовлена либо в виде набора скреи-
лённых по краям стержней, либо
в виде пустотелого цилиндра с про-
фрезероваяными вдоль образующих па-
пазами. Отражающие поверхности могут
быть выпуклыми, плоскими и вогну-
вогнутыми. Лучшим в энергетич. отноше-
отношении является вогнутый отражатель
в виде лунки, обеспечивающий образо-
образование кавитационной области, содер-
содержимое к-рой с определённой частотой
(частотой основного тона) выбрасы-
выбрасывается из зоны сопло — отражатель.
Для возбуждения интенсивных коле-
колебаний необходимо определённое соот-
соотношение между диаметром лунки D на
Рис. 3. Схема стержневого гидродинами-
гидродинамического излучат* ля: 1 — сопло; 2 — от-
отражатель; 3 — резонирующие стержни.
торце отражателя и диаметром сопла d
при определённой форме отражающей
поверхности. Пульсации кавитацион-
кавитационной области создают переменные поля
скоростей и давлений, к-рые возбуж-
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
81
дают в стержнях 3 изгибные колебания
на их собственной частоте, что даёт
вклад в излучение, повышая его ин-
интенсивность и монохроматичность.
Собственная частота стержней /ст оп-
определяется по той же ф-ле, что и /пл
(коэфф. а при двустороннем закреп-
закреплении стержней равен 1,03, а при кон-
консольном — 0,7). Г. и. подобной конст-
конструкции наз. стержневыми.
Принцип излучения за счёт пульса-
пульсации кавитационной области возможен
в конструкции Г. и., подобной изобра-
изображённой на рис. 2, если в дне цилинд-
рич. препятствия имеется отверстие
диаметром d. Кавитационная область
тороидальной формы образуется меж-
между торцами сопла и отражателя (сопла
и цилиндра) при соответствующих гео-
метрич. параметрах, описываемых
Г. и., и скорости истечепия жидкости
20—35 м/с; необходимые для работы
напоры равны примерно 2—10 атм.
Спектр частот генерируемых колеба-
колебаний — 0,3—25 кГц.
Возможны Г. и., действие к-рых ос-
основано на эффекте Бернулли. Они со-
состоят из кругового сопла 1 (рис. 4)
Рис. 4. Схема
гидродинамиче-
гидродинамического излучате-
излучателя, основанного
на эффекте Бер-
Бернулли : 1 — со-
сопло; 2 — излу-
излучающая мем-
мембрана.
и защемлённой по контуру мембраны
2. Струя, вытекая из сопла, периодиче-
периодически меняет давление в зоне сопло —
мембрана, вызывая колебания мем-
мембраны. При этом в жидкость излуча-
излучаются низкочастотные колебания с ос-
основным тоном, соответствующим соб-
собственной частоте изгибных колебаний
мембраны.
Кроме перечисленных, существуют
роторные излучатели, основными ра-
рабочими элементами к-рых являются
соосно расположенные цилиндры —
статор и ротор. Каждый из них на бо-
боковых поверхностях снабжён системой
прорезей или отверстий. Работа их
подобна работе сирен и сводится к пе-
риодич. прерыванию струи жидко-
жидкости, что достигается чередованием
прорезей статора и ротора при вра-
вращении- последнего и приводит к воз-
возникновению в рабочей среде пульса-
пульсаций давления. Частота роторных Г. и.
определяется количеством прорезей
и числом оборотов ротора.
Г. и. способны излучать акустич.
колебания в широком частотном диа-
диапазоне: от 0,3 до 35 кГц с максимальной
интенсивностью ~ 1,5—2,5 Вт/см2.
Общими преимуществами Г. и. яв-
являются дешевизна получаемой аку-
акустич. энергии, простота конструкций
и их эксплуатации, а также тот факт,
что струя жидкости является в них,
с одной стороны, генератором коле-
колебаний, с другой — объектом озвучи-
озвучивания. Преимущество пластинчатых
Г. и.— возможность работы при отно-
относительно низких напорах, начиная
примерно с 2 атм; недостатки — ча-
частые поломки пластин из-за уста-
усталостных напряжений, трудность рас-
расположения опор точно в узловых точ-
точках, затруднения при генерировании
колебаний в вязких средах и средах
с твёрдыми примесями. Стержневые
Г. и. лишены указанных недостат-
недостатков, однако они работают при повы-
повышенных напорах, начиная примерно
с 4 атм. Роторные Г. и. существенно
сложнее пластинчатых и стержневых
как в конструктивном отношении (не-
(необходимость обеспечения высокой
соосности ротора и статора, наличие
вращающихся элементов и т. д.), так
и в эксплуатации, но они имеют наи-
наибольшую по сравнению с другими
Г. и. производительность.
Г. и. применяются для интенсифи-
интенсификации различных технологич. про-
процессов, таких, как эмульгирование не-
нерастворимых друг в друге жидкостей
(напр., получение высококачествен-
высококачественных эмульсий вода — масло, вода —
ртуть), диспергирование твёрдых ча-
частиц в жидкостях (напр., графита
в масле), ускорение процессов кри-
кристаллизации в растворах, расщепле-
расщепление молекул полимеров, очистка
стального литья после прокатки и т. д.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с
нем., 2 изд., М., 1957; Г е р ш г а л Д# А.,
Фридман В. М., Ультразвуковая техно-
технологическая аппаратура, 3 изд., М., 1976;
Константинов Б. П., Гидродинами-
Гидродинамическое звукообразование и распростране-
распространение звука в ограниченной среде, Л., 1974;
АгранатБ. А. и д р., Ультразвуковая
технология, М., 1974. А. Ф. Назаренко.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
в звуковом поле — см. Пон-
деромоторные силы в звуковом поле.
ГИДРОЛОКАТОР — гидроакусти-
гидроакустическое устройство, производящее из-
82
ГИДРОЛОКАТОР
лучение, приём и обработку звуковых
сигналов с целью обнаружения, опре-
определения координат и характеристик
движения отражающего звук объекта,
находящегося в водной морской сре-
среде. Существуют различные принципы
действия Г. (см. Гидролокация), НО
наиболее распространены импульсные
Г., производящие излучение импуль-
импульса акустического на фиксированной
звуковой или УЗ-вой частоте. Рабочая
частота Г. выбирается в зависимости
Блок-схема гидролокатора.
от конкретных требований с учётом
того, что эффективность гидроакусти-
гидроакустической антенны повышается на высо-
высоких частотах, а затухание звука умень-
уменьшается на низких. Упрощённая блок-
схема импульсного Г. приведена на
рис. В обтекателе 1, прикреплённом
к днищу корабля 2, располагается
направленная гидроакустич. приёмно-
излучающая антенна 3, реле приёма —
передачи 4 и поворотное устройство.
Обтекатель предохраняет антенну от
разрушения потоком и уменьшает шу-
шумы гидродинамич. происхождения. По-
Поворотное устройство позволяет уста-
устанавливать антенну в произвольном
положении в горизонтальной плоско-
плоскости и производить поиск по азимуту;
в нек-рых Г. имеется ограниченная
возможность производить поиск и
в вертикальной плоскости. Реле пе-
переключает антенну в режим излуче-
излучения или приёма, т. е. поочерёдно
подключает её к передающему 5 и
приёмному 6 трактам с целью пре-
предохранения приёмного тракта от пе-
перегрузок в момент излучения. Вклю-
Включение реле приёма — передачи управ-
управляется блоком формирования импуль-
импульсов 7. Видеоимпульс от формирова-
формирователя 7 и непрерывный сигнал звуко-
звуковой или УЗ-вой частоты от генерато-
генератора 8 подаются на модулятор 9 и за-
затем на усилитель мощности 10, с вьь
хода которого мощный электрич. им-
импульс поступает на злектроакустич.
преобразователи антенны 3, работаю-
работающие в режиме излучения. В режиме
приёма отражённые звуковые сигна-
сигналы, принятые преобразователями 3,
усиливаются приёмным усилителем 11
и подаются на блок слухового конт-
контроля 12. Если Г. работает в диапазоне
УЗ-вых частот, то в блоке слухового
контроля производится также преоб-
преобразование принятых сигналов в диа-
диапазон слышимых частот. Одновремен-
Одновременно усиленные сигналы после детек-
детектора 13 подаются на электроннолуче-
электроннолучевой индикатор 14 и регистратор 15.
В индикаторе используется электрон-
электроннолучевая трубка с длительным по-
послесвечением и с развёрткой типа А,
т е. с линейной по времени развёрт-
ко по горизонтальной оси и отклоне-
отклонением по вертикали, пропорциональным
амплитуде принятого сигнала. В ка-
качестве регистрирующего устройства
15 часто используется химич. рекор-
рекордер дальности, производящий запись
сигналов на специальной электрохи-
мич. бумаге, почернение к-рой про-
пропорционально амплитуде принятого
сигнала. Горизонтальная шкала ре-
рекордера проградуирована в единицах
расстояния до цели. При равномер-
равномерном движении цели отметки на лонте
рекордера, соответствующие последо-
последовательным отражениям, располагают-
располагаются на прямолинейной «трассе»; по
наклону этой прямой можно опреде-
определить скорость движения цели.
Определение скорости цели по еди-
единичной посылке производится на ос-
основе Доплера эффекта. Для этого
существует дополнительный тракт 16,
к-рый представляет собой набор пе-
перекрывающихся узкополосных фильт-
фильтров с шириной полосы ~1/т(т — дли-
длительность посылки), настроенных на
различные частоты. Т. к. вследствие
эффекта Доплера отражённый от дви-
движущейся цели сигнал имеет частоту
/с = /оA + Р). гДе /о — частота по-
посылки и Р — отношение скорости це-
цели к скорости звука, то, измеряя ча-
частоту /с с помощью гребёнки фильт-
фильтров, можно определить скорость дви-
движения цели. Одновременно такая си-
система является эффективным спосо-
ГИДРОЛОКАЦИЯ
83
бом подавления специфической для
активной гидролокации ревербераци-
онной помехи, вызванной рассеяни-
рассеянием звука на нерегулярностях среды.
Диапазон амплитуды звукового дав-
давления входных сигналов Г., приходя-
приходящих с различных расстояний, может
быть очень велик (около сотни дБ),
а динамич. диапазон индикаторов и
регистраторов сравнительно мал B0—
30 дБ), поэтому для согласования этих
диапазонов имеется блок временнбй
регулировки усиления 17, к-рый по-
постепенно увеличивает коэфф. усиле-
усиления приёмного усилителя 11 по мере
увеличения времени, прошедшего пос-
после момента излучения, т. е. по мере
увеличения расстояния, к-рое про-
прошёл отражённый сигнал.
Для обзора пространства с помощью
описанного выше Г. антенна ориенти-
ориентируется в различных направлениях ли-
либо с помощью ручного привода, либо
посредством медленного автоматич. её
вращения (т. н. режим шагового по-
поиска). Современные усовершенство-
усовершенствованные Г. производят одновременный
круговой обзор. В таких Г. исполь-
используется ненаправленное излучение и на-
направленный приём при помощи аку-
акустич. антенны с «веерной» характери-
характеристикой направленности. На выходе
каждого канала такой. антенны име-
имеется детектор с временем интегриро-
интегрирования порядка длительности импуль-
импульса. Продетектированные сигналы с раз-
различных направлений поступают на
электронный коммутатор, К-рый в те-
течение времени, равного длительности
посылки, поочерёдно снимает значе-
значения огибающих. Полученный видеосиг-
видеосигнал подаётся на электроннолучевой
индикатор со спиральной развёрткой
и яркостной модуляцией сигнала. Та-
Такой индикатор (индикатор кругового
обзора) позволяет определить одно-
одновременно и направление на цель, и
расстояние до неё. б. ф. Куръянов.
ГИДРОЛОКАЦИЯ — определение
положения подводных объектов либо
при помощи акустич. сигналов, созда-
создаваемых самими объектами (пассивная
локация), либо в результате отраже-
отражения от подводных объектов искусст-
искусственно созданных звуковых сигналов
(активная локация). Под термином
«Г.» понимают исключительно акустич.
локацию, поскольку звуковые вол-
волны являются единственным извест-
известным видом волн, распространяющихся
в морской среде без значительного
ослабления. Г. имеет большое значе-
значение в навигации для обнаружения
невидимых подводных препятствий,
в рыбном промысле для обнаружения
косяков и отдельных крупных рыб,
в океанологии как инструмент иссле-
исследования физич. свойств океана, кар-
картографирования морского дна, поиска
затонувших судов, для обнаружения
подводных лодок, надводных кораб-
кораблей, льдов и наблюдения за ними.
При пассивной локации (шу-
мопеленгации) направление на источ-
источник звука определяют шумопеленгато-
ром(пеленг источника), исследуя прост-
пространственную структуру звукового поля,
создаваемого самим источником. При-
Применяют различные методы шумопелен-
гаций: при максимальном методе пе-
пеленгования приёмную гидроакусти-
гидроакустическую антенну с острой направлен-
направленностью поворачивают до положения,
в к-ром принятый сигнал имеет макси-
максимальную интенсивность; при фазо-
фазовом — измеряют разность фаз между
сигналами на выходе двух разне^
сенных в пространстве антенн; при
корреляционном — определяют относи-
относительную разницу во времени приёма
сигналов двумя разнесёнными на опре-
определённое расстояние антеннами по-
посредством измерения взаимной кор-^
реляции; используют также комбина-
комбинации этих методов. При пассивной ло-
локации расстояние до объекта опреде-
определяют по двум или нескольким пелен-
пеленгам, полученным несколькими приём-
приёмными системами, разнесёнными на'
расстояния, сравнимые с расстоянием
до лоцируемого объекта (метод три-
триангуляции); так определяется не толь-
только положение шумящего объекта, но
и траектория его движения. Системы
пассивной Г. применяются гл. обр.
для гидроакустич. оснащения подвода
ных лодоК'- и надводных кораблей.
Пассивнай Г. применяется также для
обнаружения подводных шумящих
объектов с помощью береговых и дон-
донных систем гидрофонов, данные от
к-рых по подводному кабелю переда-
передаются на береговые системы обработки,
а также с помощью системы гидроаку-
гидроакустич. радиобуев, информация от к-рыХ
принимается по радиоканалу специ^
альными самолётами, курсирующими
в районе плавания буёв. Кроме того,
пассивное 'определение направления
на" шумящий'объект является основой
84
ГИДРОЛОКАЦИЯ
действия акустич. самонаводящихся
торпед.
Если источник звука излучает не
шумовой сигнал, а короткий импульс
акустический, то положение источни-
источника можно определить по разностям
Рис. 1. Блок-схема гидролокатора с частотной
модуляцией.
времён прихода импульсов, принятых
ненаправленными приёмниками в трёх
или более разнесённых по пространст-
пространству пунктах. Таким способом локализа-
локализации источников пользуются в берего-
береговой системе дальнего обнаружения
судов, терпящих бедствие в открытом
океане (система СОФАР); источником
звукового импульса при этом служит
взрыв заряда, погружаемого на глу-
глубину оси подводного звукового ка-
канала.
Системы активной Г. основаны
на использовании звукового эха
(рис. 1) и различаются методами вре-
временной модуляции посылаемого сиг-
сигнала и способами обзора пространст-
пространства. Несущая частота для различных
гидролокационных систем может раз-
различаться в довольно широких преде-
пределах. Для рыбопоисковой аппаратуры,
напр., она лежит обычно в диапазоне
от 20 до 100 кГц. Для определения
дальности объекта в Г. пользуются
амплитудной, частотной и шумовой
модуляциями сигнала. Чаще всего
пользуются амплитудной модуляцией,
при к-рой сигнал излучается в виде
импульсов. При этом расстояние R до
цели находится по времени запаз-
запаздывания tc отражённого импульса:
Я = с*с/2, где с — скорость звука
в среде. Разрешающая способность
по расстоянию АЛ определяется дли-
длительностью посылки т импульса, т. е.
ДЛ = ст/2. В гидролокаторах с час-
частотной модуляцией (рис. 1,я) излуча-
излучатель 2, возбуждаемый генератором 1,
посылает в воду сигнал, частота к-рого
меняется со временем t по линейному
закону /(*) = /0 + yt (рис. 1,6), где
/о — начальная частота и у ¦— ско-
скорость изменения частоты (обе величи-
величины постоянные). Отражённый сигнал,
принятый приёмником 3 с усилителем
4, отличается по частоте от сиг-
сигнала, излучаемого в данный мо-
момент, т. к. принятый сигнал пред-
ставляет собой задержанную на
время tc копию посланного сиг-
сигнала (рис. 1,в), а частота излу-
излучаемого сигнала за время tc из-
t менилась согласно приведённой
— формуле. Для неподвижной цели
разность частот постоянна и рав-
X на: /_ = ytc (рис. 1,г). Сигнал
1 разностной частоты / получают,
подав напряжение с генератора
1 и усилителя 4 на смеситель 5
и затем на детектор 6. Выделив
разностную частоту, определяют рас-
расстояние до цели R по ф-ле R =
= cf_/2y. Разрешающая способность
по расстоянию ДЛ определяется ши-
шириной полосы Д/ фильтра 7 и равна:
ДЛ = сД//2у.
Аналогична схема действия гидроло-
гидролокатора с шумовым излучением и кор-
корреляционной обработкой сигнала
(рис. 2). Напряжение с генератора шу-
шумового сигнала 1 подаётся на излу-
излучатель 2. Принятый приёмником 3
и усиленный шумовой сигнал посту-
поступает на коррелятор 6—7 вместе с за-
задержанным во времени при помощи
линии задержки 5 прямым сигналом,
питающим излучатель. Если время
задержки совпадает с временем запаз-
Рис. 2. Блок-схема Гидролокатора с кор-
корреляционной обработкой сигнала.
дывания отражённого сигнала tc, то
корреляция будет максимальной. Имея
набор корреляторов с различными
временами задержек, можно по кана-
каналу с максимальной корреляцией опре-
определить время запаздывания tc и рас-
расстояние до цели R = etc/2. Разрешаю-
ГИДРОФОН
85
щая способность шумового корреля-
корреляционного гидролокатора определя-
определяется шириной полосы AF излучаемого
шума и равна: АЛ = c/2AF. Наряду
с разрешающей способностью по рас-
расстоянию, основной характеристикой
гидролокаторов является дальность
обнаружения, к-рая зависит от мощ-
мощности излучаемого звука, от уровня
акустич. помех и от условий распро-
распространения звука в водной среде.
Дальность обнаружения обычно оп-
определяют по величине т. н. порого-
порогового сигнала, т. е. сигнала минималь-
минимальной интенсивности, ещё различаемого
на фоне помех. Если помеха и сиг-
сигнал независимы, то пороговый сиг-
сигнал определяется отношением полной
энергии полезного сигнала к мощ-
мощности помехи в данном частотном ин-
интервале. Т. о., дальность обнаруже-
обнаружения для систем с различными видами
модуляции будет одинаковой, если
одинакова их полная энергия излуче-
излучения. Однако перераспределение энер-
энергии во времени для систем с непрерыв-
непрерывным излучением обладает тем преиму-
преимуществом, что позволяет излучать сиг-
сигнал малой мощности, т. е. не дости-
достигать порога кавитации. Если основ-
основная помеха — хаотические отражения
сигнала от неоднородностей среды
(т. н. реверберационная помеха), то
пороговый сигнал не зависит от мощ-
мощности излучаемого сигнала, .а опреде-
определяется исключительно шириной поло-
полосы его частот; в этом случае более
эффективны системы с частотной мо-
модуляцией сигнала и с шумовой по-
посылкой.
На дальность обнаружения наря-
наряду с помехами оказывает влияние
рефракция (см. Преломление звука),
имеющая место в сложных гидрология,
условиях. Современные гидролокато-
гидролокаторы способны обнаруживать большие
отражающие объекты в среднем на
расстоянии нескольких км.
Лит.: Сташкевич А. П., Акустика
моря, Л., 1966; Тюрин А. М., Сташ-
Сташкевич А. П., Таранов Э. С, Основы
гидроакустики, Л., 1966; Бенжамин
Р., Анализ радио- и гидролокационных
сигналов, пер. с англ., М., 1969.
Б. Ф. Куръянов.
ГИДРОФОН — подводный электро-
электроакустический преобразователь для
приёма акустич. сигналов и шумов.
Раньше в технической литературе Г.
иногда наз. также гидроакустич. шу-
шумопеленгатор, в состав к-рого входит
многоэлементная приёмная гидроаку-
гидроакустическая антенна и система элек-
электронных трактов, осуществляющих об-
обработку акустич. информации. В пос-
последнее время понятие «Г.» использу-
используется только для обозначения отдель-
отдельного гидроакустич. приёмника, к-рый,
в частности, может быть конструктив-
конструктивно и функционально объединён с про^
стейшими электронными устройства-
устройствами — предварительными усилителя-
усилителями, модуляторами и т. д. Наиболее
часто Г. наз. акустич. приёмники,
используемые в гидроакустич. изме--
рениях.
В зависимости от назначения и ус-
условий работы Г. имеют разнообразные
конструкции. Чувствительным элемен-
элементом Г. обычно служит пьезоэлектри-
пьезоэлектрический преобразователь или магнито-
стрикционный преобразователь. Его
размер выбирают исходя из требова-
требования, чтобы основная частота резонан-
резонанса механич. системы была выше диапа-
диапазона рабочих частот; это позволяет
уменьшить неравномерность частот-
частотной характеристики и искажения ди-
диаграмм направленности в этом диапа-
зоне. Чувствительные элементы мо-
могут иметь форму стержней, цилиндров,
пластин, иногда сфер, выполненных
из пьезоэлектрических материалов,
в частности из пъезокерамики, и ре-
реже — из магнитострикционных мате-
материалов. Принимаются специальные ме-
меры по обеспечению герметичности и
прочности, особенно при работе Г.
в условиях, когда действуют большие
гидростатич. давления. Чувствитель-
Чувствительный элемент с электронными блоками
помещается в металлич. оболочку,
применяются жидкостные компенса-
компенсаторы гидростатич. давления, специ-
специальные резины, покрытия и смолы для
защиты чувствительных элементов, не-
непосредственно контактирующих с во-
водой, и кабельных вводов.
Г., как и всякий приёмник звука,
характеризуется: чувствительностью
холостого хода ухх = ехх/р (В/Па),
где ехх — эдс холостого хода чувстви-
чувствительного элемента, ар — действующее
на него звуковое давление; удельной
чувствительностью ууд = уХх/У^вн1
(В/Па • Ом I*), определяющей порого-
пороговое, т. е. минимальное, звуковое
давление, к-рое Г. может зарегистри-
зарегистрировать при заданном превышении
уровня сигнала над уровнем собст-
собственных электрич. шумов при опти-
ГИПЕРЗВУК
мальнош согласовании со входом уси-
усилителя или индикатора (ZBH — собст-
собственный электрич. импеданс чувстви-
чувствительного элемента Г.); неравномер-
неравномерностью частотной характеристики,
измеряемой обычно в децибелах; ха-
характеристикой направленности, к-рая
в случае работы Г. в составе многоэле-
многоэлементной антенны влияет на направ-
направленность антенны в целом.
К измерительным Г. предъявляются
специальные требования, чтобы га-
гарантировать точность гидроакустич.
измерений. Напр., для Г., используе-
используемых в качестве эталонных измеритель-
измерительных приборов, необходима большая
чувствительность ухх A00 мкВ/Па),
стабильность ухх при изменении тем-
температуры и гидростатич. давления
(<i ' дБ) и малая зависимость чув-
чувствительности от частоты и направле-
направления прихода звука, а также постоян-
постоянство параметров во времени. Поэтому
чувствительные элементы таких Г.
обычно изготовляют в виде полых сфер
(рис.) из эффективных и
достаточно стабильных
пьезокерамич. материа-
лов. При малых размерах
чувствительного элемен-
Схема измерительного гид-
гидрофона: 1 — чувствительный
пьезоэлектрический элемент;
2 — внутренний электрод;
4 — тонкое резиновое по-
покрытие для изоляции внеш-
внешнего электрода 3 от водной
среды; 5 — резиновый виб-
роизолирующий элемент;
6 — полый металлический
стержень, внутри которого
проходит провод 7 от вну-
внутреннего электрода; * —
"—¦* корпус усилителя.
та (диаметром в несколько мм) и
соответственно высоких частотах ме-
ханич. резонанса Г. подобного типа
может использоваться в диапазоне
частот от десятков Гц до сотен кГц
и без существенных искажений пре-
преобразовывать в электрич. сигналы
достаточно сложные акустич. процес-
процессы. Иногда, чтобы повысить чувстви-
чувствительность в области низких частот,
пользуются элементами относительно
больших размеров (сферич. или ци-
линдрич. пьезоэлементы диаметром до
100 мм). В этом случае при измере-
измерениях используется набор («ряд») Г.
с различными по размерам пьезоэле-
ментами, каждый из к-рых предназна-
предназначен для измерений внутри определён-
определённого участка частотного диапазона.
Лит.: Боббер Р. Д ж., Гидроакусти-
Гидроакустические измерения, пер. с англ., М., 1974;
Ананьева А. А., Керамические прием-
приемники звука, М., 1963; Клюкин И. И.,
Колесников А. Е., Акустические
измерения в судостроении, Л., 1966.
Р. Е. Пасынков.
ГИПЕРЗВУК — упругие волны с
частотой от 10" до 1012—1013 Гц; вы-
высокочастотная часть спектра упру-
упругих волн. По физич. природе Г. ничем
не отличается от ультразвука, частоты
к-рого простираются от 2-104 до 109Гц.
Однако благодаря более высоким ча-
частотам и, следовательно, меньшим, чем
в области УЗ, длинам волн значитель-
значительно более существенными становятся
взаимодействия Г. со средой, с её
квазичастицами — электронами, фо-
фотонами, фононами, магнонами и др.
Область частот Г. соответствует ча-
частотам электромагнитных волн деци-
дециметрового, сантиметрового и милли-
миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысо-
сверхвысоким частотам — СВЧ). Частоте 109 Гц
в воздухе при нормальном атмосфер-
атмосферном давлении и комнатной темпера-
температуре соответствует длина волны Г.
3,4-10~5 см, т. е. одного порядка
с длиной свободного пробега моле-
молекул в воздухе при этих условиях.
Упругие волны могут распростра-
распространяться в среде только при условии,
что их длины заметно больше длины
свободного пробега в газах или боль-
больше межатомных расстояний в жидко-
жидкостях и твёрдых телах. Поэтому в газах
(и, в частности, в воздухе) при нор-
нормальном атмосферном давлении ги- •
перзвуковые волны не распростра-
распространяются. В жидкостях затухание Г.
очень велико и дальность распростра-
распространения мала. Сравнительно хорошими
проводниками Г. являются твёрдые
тела в виде монокристаллов, но гл.
обр. при низких темп-pax. Так, напр.,
даже в монокристалле кварца, отли-
отличающемся малым затуханием упругих
волн, продольная гиперзвуковая вол-
волна с частотой 1,5-Ю9 Гц, распростра-
распространяющаяся вдоль оси X кристалла
при комнатной темп-ре, ослабляется
по амплитуде в 2 раза на расстоянии
всего в 1 см. В монокристаллах сап-
сапфира, ниобата лития, шелезо-иттрие-
вого граната затухание Г. значитель-
значительно меньше, чем в кварце.
Наряду с искусственно возбуждае-
возбуждаемым Г. существует Г. теплового про-
ГИПЕРЗВУК
87
исхождения. Тепловое движение твёр-
твёрдого кристаллич. тела можно пред-
представить как непрерывные и беспоря-
беспорядочные колебания атомов или ионов,
составляющих кристаллич. решётку,
около своего положения равновесия.
Такие колебания, согласно Дебаю,
можно рассматривать как совокуп-
совокупность продольных и поперечных пло-
плоских упругих волн самых различных
частот — от самых низких собствен-
собственных частот упругих колебаний дан-
данного тела до частот 1012—1013 Гц
(далее спектр упругих волн обры-
обрывается), распространяющихся по все-
всевозможным направлениям (см. Коле-
Колебания кристаллической решётки). Эти
волны наз. также дебаевскими
волнами, или тепловыми фоно-
нами. Тепловые фононы имеют широ-
широкий спектр частот, тогда как искусст-
искусственно получаемый Г. может иметь
к.-н. одну определённую частоту.
Поэтому искусственно генерируемый
Г. можно представлять как поток коге-
когерентных фононов. В жидкостях тепло-
тепловое движение имеет характер, близкий
к характеру теплового движения
в твёрдых телах, поэтому в жидкостях,
как и в твёрдых телах, тепловое дви-
движение непрерывно генерирует гипер-
звуковые волны.
До того как стало возможным по-
получать Г. искусственным путём, изу-
изучение гиперзвуковых волн и их рас-
распространение в жидкостях и твёрдых
телах проводилось гл. обр. оптич. ме-
методом, основанным на исследовании
рассеяния света на Г. теплового про-
происхождения. При этом было обнару-
обнаружено, что рассеяние в оптически про-
прозрачной среде происходит с образова-
образованием нескольких спектральных ли-
линий, смещённых относительно частоты
падающего света на частоту Г. (т. н.
Манделъштама — Бриллюэна рассея-
рассеяние). Исследования Г. в ряде жидко-
жидкостей привели к открытию в них зави-
зависимости скорости распространения Г.
от частоты (см. Дисперсия скорости
звука) и аномального поглощения звука
на этих частотах. Изучение Г. тепло-
теплового происхождения рентгеновскими
методами показало, что тепловые ко-
колебания атомов в кристалле приводят
к диффузному рассеянию рентгенов-
рентгеновских лучей, размазыванию пятен,
обусловленных взаимодействием рент-
рентгеновских лучей с атомами, и к появ-
появлению фона. По диффузному рассея-
рассеянию оказывается возможным сделать
ряд важных заключений о спектре
гиперзвуковых волн и определить мо-
модули упругости твёрдых тел.
Современные методы излучения и
приёма Г., так же как и УЗ, гл. обр.
основываются на использовании явле-
явлений пьезоэлектричества и магнито-
стрикции. При возбуждении Г. с по-
помощью резонансных электроакусти-
электроакустических преобразователей, применяе-
применяемых в УЗ-вом диапазоне частот, раз-
размеры этих преобразователей должны
быть очень малы, ввиду малости дли-
длины волны Г. Их получают, напр., пу-
путём вакуумного напыления плёнок из
пьезоэлектрических материалов (гл.
обр. из пьезополупроводников CdS,
ZnS, ZnO и др.) на торец звукопровода
в виде монокристаллич. стержня из
сапфира, рубина, кварца, алюмо-ит-
триевого граната и др. Это — т. н.
плёночные преобразователи. Применя-
Применяют плёнки и из магнитострикцион-
ных материалов, напр, из никеля или
пермаллоя. Используется также метод
возбуждения Г. с поверхности диэлек-
трич. пьезоэлектрич. кристалла, от-
отличающийся от методов, применяемых
на УЗ-вых частотах. Кристалл поме-
помещается торцом в СВЧ электрич. поле
(в большинстве случаев — в объёмный
резонатор), и вследствие граничного
скачка диэлектрич. проницаемости на
его поверхности появляются заряды,
меняющиеся с частотой поля и сопро-
сопровождающиеся переменной пьезоэлек-
пьезоэлектрич. деформацией. Эта деформация
распространяется затем в виде про-
продольной или сдвиговой упругой вол-
волны (тип волны зависит от направле-
направления напряжённости поля относитель-
относительно поверхности кристалла). Аналогич-
Аналогично возбуждается Г. с поверхности
магнитострикционных кристаллов,
только в этом случае торец кристалла
помещается в СВЧ магнитное поле и
для получения той же частоты упругой
волны, что и частота поля, требуется
дополнительное постоянное магнит-
магнитное поле. Основные трудности методов
генерации и приёма Г. состоят в малой
эффективности преобразования элек-
электромагнитной энергии в акустическую.
При распространении Г. в кристал-
кристаллах диэлектриков, не содержащих
свободных носителей зарядов, затуха-
затухание звука происходит в результате
его взаимодействия с тепловыми фо-
нонами. Характер этого взаимодейст-
88
ГИПЕРЗВУК
вия, а следовательно, и характер за-
затухания зависят от частоты распрост-
распространяющихся волн. Если частота неве-
невелика (область УЗ и Г. низких частот),
то состояние среды при прохождении
упругой волны меняется так медлен-
медленно, что тепловая волна затухает преж-
прежде, чем успевает провзаимодейство-
вать с упругой волной. Поэтому в этом
случае только нарушается равнове-
равновесное распределение тепловых фононов,
к-рое затем восстанавливается благо-
благодаря случайным неупругим столкно-
столкновениям их между собой: в результате
происходит потеря энергии волны.
Т. о., поглощение звука зависит от
частоты столкновений между тепловы-
тепловыми и когерентными фононами. В случае
высоких гиперзвуковых частот про-
происходит непосредственное нелинейное
взаимодействие Г., искусственно по-
получаемого, и Г. теплового происхожде-
происхождения; когерентные фононы неупругим
образом сталкиваются с тепловыми
фононами и передают им свою энер-
энергию, к-рая идёт на возбуждение тепло-
тепловых фононов и, в конечном счёте, пре-
превращается в тепло. При охлаждении
кристалла в столкновениях будет уча-
участвовать всё меньшее число тепловых
фононов, т. к. с понижением темп-ры
тепловые фононы «вымораживаются»,
их становится меньше. Соответствен-
Соответственно этому затухание УЗ и Г. при пони-
понижении темп-ры существенно умень-
уменьшается.
При распространении Г. в кристал-
кристаллах полупроводников и металлов, где
имеются электроны проводимости, кро-
кроме взаимодействия Г. с тепловыми
фононами, имеет место взаимодейст-
взаимодействие Г. с электронами (см. Взаимодей-
Взаимодействие ультразвука с электронами
проводимости). Взаимодействие между
когерентными фононами и электрона-
электронами становится существенным в области
УЗ-вых и особенно в области гиперзву-
гиперзвуковых частот в полупроводниках, об-
обладающих пьезоэлектрич. свойствами
(напр., в кристалле CdS, в к-ром взаи-
взаимодействие между фононами и электро-
электронами проводимости очень сильно). Ес-
Если к кристаллу приложить постоянное
злектрич. поле, величина к-рого тако-
такова, что скорость электронов будет не-
немного больше скорости упругой вол-
волны, то электроны будут обгонять
УЗ-вую волну, отдавая ей энергию и
усиливая её, т. е. будет происходить
усиление ультразвука. Если же ско-
скорость когерентных фононов больше
скорости электрона, то фононы отдают
свой импульс электронам, создавая по-
постоянную эдс в разомкнутом кристал-
кристалле или постоянный электрич. ток в
короткозамкнутом кристалле, т. е.
имеет место акустоэлектрический эф-
эффект. В этом случае взаимодействие
когерентных фононов и электронов
приводит к сильному затуханию Г.
В металле, где имеется большое
количество электронов проводимости,
взаимодействие их с гшгорзвуко-
вой волной также может возникать
за счёт возникновения локальных
(местных) электрич. полей при коле-
колебаниях ионов решётки. Так, напр.,
при прохождении продольной УЗ-вой
волны цепочки положительно заря-
заряженных ионов сжимаются и растяги-
растягиваются. При этом меняется плотность
отрицательно заряженных электронов
и их энергия. После отклонения энер-
энергии электронов от её среднего значения
это значение восстанавливается, но
не сразу, а в течение нек-рого време-
времени — времени релаксации. Происходя-
Происходящий здесь релаксационный процесс
в определённой степени аналогичен
релаксационному процессу, к-рый про-
происходит при распространении УЗ-вой
волны в диэлектрике (см. Релаксация),
а энергия упругих волн также пере-
переходит в тепло. Затухание упругих
волн в металлах оказывается про-
пропорциональным частоте, поэтому этот
эффект сильно сказывается в обла-
области Г. Электронный характер зату-
затухания упругих волн в металлах про-
проявляется, в частности, в том, что
коэфф. затухания в сильной степени
зависит от внешнего магнитного по-
поля. Изучение затухания Г. в метал-
металлах, обусловленного электронами про-
проводимости, позволяет получить важ-
важные характеристики металлов (вре-
(время релаксации, поверхность Ферми,
«энергетич. щель» в сверхпроводни-
сверхпроводниках и др.).
Рассматривая взаимодействие Г. с
электронами, следует учитывать, что
электрон, кроме массы и заряда, обла-
обладает ещё собственным механич. мо-
моментом (спином) и связанным с ним
магнитным моментом, а также орби-
орбитальным магнитным моментом. Между
орбитальным магнитным моментом и
спином имеет место спин-орбитальное
взаимодействие: если меняется наклон
орбиты, несколько меняется и направ-
ГОЛОГРАФИЯ
89
ление спина. Прохождение Г. подхо-
подходящей частоты и поляризации может
вызывать изменение магнитного со-
состояния атомов. Так, Г. частотой
~ 1010 Гц, распространяясь в крл-
сталлах парамагнетиков, помещён-
помещённых в магнитное поле напряжённо-
напряжённостью —1000 Э, может вызвать переход
атома с одного магнитного уровня на
другой, сообщая ему определённую
энергию. При этом происходит изби-
избирательное поглощение Г. на частотах,
к-рые соответствуют возможным пе-
переходам. Это явление называется аку-
акустическим парамагнитным резонансом
(АПР), оно аналогично электронно-
электронному парамагнитному резонансу (ЭПР).
При помощи АПР оказывается воз-
возможным изучать переходы между та-
такими уровнями атомов в парамагне-
парамагнетиках, к-рые являются запрещёнными
для ЭПР. Используя взаимодействие
когерентных фононов со спин-орби-
спин-орбитальной системой, можно в парамаг-
парамагнитных кристаллах при низких тем-
температурах усиливать и генерировать
гиперзвуковые волны, пользуясь тем
же принципом, на к-ром работают
квантовые генераторы.
В магнитоупорядоченных кристал-
кристаллах (напр., ферромагнетиках, ферри-
ферритах) наличие спина, орбитального
момента и обменного взаимодействия
приводит к тому, что, помимо рассмот-
рассмотренных выше проявлений взаимодей-
взаимодействия Г. с веществом, появляется ряд
других явлений, где играют роль
магнитоупругие взаимодействия. Так,
распространение гиперзвуковой вол-
волны вызывает появление спиновой вол-
волны, и, наоборот, спиновая волна вы-
вызывает появление гиперзвуковой вол-
волны. Т. о., один тип волн порождает
другой, поэтому в общем случае в
таких кристаллах распространяются
не чисто спиновые и упругие волны,
а связанные магнитоупругие волны.
Изучение спин-фононных взаимодей-
взаимодействий представляет существенный ин-
интерес для исследования спин-решё-
спин-решёточной релаксации в магнитоупорядо-
магнитоупорядоченных кристаллах. В случае спино-
спиновых волн большой, или, как говорят,
конечной, амплитуды, возникают не-
нелинейные эффекты.
Взаимодействие Г. со светом про-
проявляется, как упоминалось выше,
в рассеянии света на Г. теплового про-
происхождения, но эффективность этого
взаимодействия очень мала. Исполь-
Используя газовые лазеры, к-рые обладают
большой интенсивностью узкой спек-
спектральной компоненты света, удаётся
существенно повысить эту эффектив-
эффективность для искусственно получаемого
Г. и широко развить оптико-акустич.
исследования в области Г. Применив
мощный источник света (напр., ги-
гигантский импульс рубинового лазе-
лазера), можно получить заметное усиле-
усиление упругой волны падающим светом;
при этом происходит перекачка энер-
энергии от возбуждающего света гипер-
гиперзвуковым волнам. В результате мож-
можно генерировать интенсивную гипер-
гиперзвуковую волну в кристалле мощно-
мощностью в несколько десятков кВт. В свою
очередь, усиленная упругая волна
будет в большей степени рассеивать
падающий свет, так что при опреде-
определённых условиях интенсивность рас-
рассеянного света может быть одного
порядка с падающим (вынужденное
Мандельштама — Бриллюэна рассея-
рассеяние). Возникающие при распростра-
распространении Г. периодич. изменения пока-
показателя преломления среды вызывают
дифракцию проходящего света (см.
Дифракция света на ультразвуке),
к-рая широко используется в акустике
для управления параметрами свето-
светового сигнала (см. Акустооптика).
Т. о., свойства Г. позволяют испольг-
зовать его как инструмент исследова-
исследования состояния вещества. Особенно
велико его значение для изучения фи-
физики твёрдого тела. В области технич.
применений играет существенную роль
использование Г. для акустич. линий
задержки в области СВЧ, а также для
создания ряда других устройств аку-
стоэлектроники и акустооптики.
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 1—7, М., 1966—
1974; Т а к е р Дш., Р э м п т о н В., Ги-
Гиперзвук в физике твёрдого тела, М., 1975;
Магнитная квантовая акустика, М., 1977.
В. А. Краеилъников.
ГОЛОГРАФИЯ акустиче-
акустическая — интерференционный способ
получения изображения предметов с
помощью акустич. волн. По сравне-
сравнению с другими известными способа-
способами получения звуковых изображений
(напр., с помощью звуковизора) аку-
акустич. Г. не требует применения спе-
специальных устройств для фокусировки
звука — акустич. линз, зонных пла-
пластинок и т. п., даёт принципиальную
возможность получать объёмные изо-
изображения предметов и, главное, более
90
ГОЛОГРАФИЯ
полно использовать информацию о рас-
рассеянном предметом звуковом поле.
Методы Г. применяются также для
решения других задач акустики, где
требуется детальное изучение ампли-
амплитудно-фазовой структуры отражённо-
отражённого или рассеянного звукового поля,
в частности при исследовании дифрак-
дифракции волн на различных телах, в т. ч.
акустически прозрачных, в задачах
формирования характеристик направ-
направленности акустич. антенн и при
пространственно-временной обработке
акустич. сигналов и полей.
Основной принцип получения аку-
акустич. голография, изображений ана-
аналогичен оптич. Г.: сначала регистри-
регистрируется картина, полученная в резуль-
результате интерференции двух звуковых
волн — рассеянной предметом и опор-
опорной, а затем по полученной записи —
акустической голограмме — восстанав-
восстанавливается либо исходное изображение
предмета, либо структура рассеян-
рассеянного этим предметом поля на иек-ром
расстоянии от него. В акустич. Г.,
особенно использующей УЗ-вой диапа-
диапазон частот, восстановление исходного
поля по акустич. голограмме обычно
производится с помощью когерентного
света подобно тому, как восстанавли-
восстанавливается оптич. голограмма. С появле-
появлением быстродействующих ЭВМ и раз-
развитием алгоритмов быстрого преобра-
преобразования Фурье стало возможным осу-
осуществлять цифровое восстановление
акустич. голограмм, особенно на низ-
низких и звуковых частотах. Для того
чтобы оптически восстановить голо-
голограмму, её надо сделать видимой.
С этой целью применяются различные
способы визуализации звуковых полей.
Оптич. изображение акустич. голо-
голограммы может быть зафиксировано на
фотоплёнке и затем восстановлено
в когерентном свете.
Физические принципы акустиче-
акустической голографии. При облучении пло-
плоской волной точечный объект, соглас-
согласно принципу Гюйгенса — Френеля,
рассеивает сферич. волну us (рис. 1).
Если одновременно послать другую,
опорную волну и0, когерентную пер-
первой, то в плоскости Р, поставленной
на пути этих волн, будет иметь место
интерференционная картина. Распола-
Располагая в плоскости Р акустич. простран-
пространственный квадратичный детектор, реа-
реагирующий на звуковое давление изме-
изменением оптич. прозрачности, получим
распределение оптич. прозрачности на
плоскости детектора в соответствии
с ф-лой:
и% = К + ul + 2"s"o cos (ф4 — ф0),
где к„, щ — амплитуды, а <р8, <р0 —
фазы предметной и опорной волн соот-
соответственно. Т. о., прозрачность в раз-
разных местах пространственного детек-
детектора будет переменной: на нём будут
видны чередующиеся тёмные и свет-
светлые полосы. Зарегистрированная кар-
картина наз. акустической го-
голограммой. Интерференционная
картина плоской и сферич. волн
(рис. 1) имеет вид концентрич. окруж-
окружностей, причём разность фаз для двух
соседних окружностей равна 2л. Это
т. н. зонная решётка, или зонная
линза Френеля; в акустике её иногда
наз. пластинкой Сорэ.
Фотопласт инна
(голограмма)
Рис. 1. Схема образования акустической
голограммы точечного источника при пло-
плоской опорной волне.
Для восстановления голограмму ос-
освещают плоской волной от источника
когерентного света; при этом её мож-
можно рассматривать как обычную ди-
дифракционную решётку (рис. 2). Если
прозрачность решётки изменяется по
синусоидальному закону, то волны
порядка выше 1-го отсутствуют. Уг-
Углы, под к-рыми распространяются вол-
волны il-ro порядка, увеличиваются
при переходе от центра данной ре-
решётки к её краям. Все лучи -f-1-го
порядка пересекаются в одной точке,
а все лучи ¦—1-го порядка исходят
из одной точки, т. е. лучи первых по-
порядков образуют две сферич. волны —
сходящуюся и расходящуюся. Точка,
из к-рой расходится волна, и точка,
в к-рой она сходится, расположены
симметрично по обе стороны голограм-
ГОЛОГРАФИЯ
91
мы, образуя мнимое и действительное
изображения источника.
Голограмма протяжённого предме-
предмета представляет собой совокупность
многих точек, поэтому каждая из них,
являясь источником сферич. волны,
при интерференции с опорной волной
Рис. 2. Схема восстановления голографи-
ческого изображения точечного объекта.
(плоской) создаёт свою зонную линзу
Френеля на пространственном детек-
детекторе. Восстановленные изображения
этих точечных источников образуют
изображение протяжённого предмета.
Чем ближе точка предмета к плоско-
плоскости регистрации, тем чаще чередуют-
чередуются кольца её зонной решётки, и, на-
наоборот, более удалённая точка созда-
создаёт более редкую структуру колец.
Именно поэтому плоская голограмма
при восстановлении передаёт глуби-
глубину предмета и позволяет получать
объёмные изображения.
Различные методы получения и вос-
восстановления акустических голограмм.
В оптич. Г. фотопластинка является
пространственным оптич. детектором
с практически неограниченными вол-
волновыми размерами и громадным чис-
числом отдельных приёмников — зёрен
фотоэмульсии, к-рые являются, кро-
кроме того, устройством долговременной
памяти. В акустике отдельные функ-
функции фотопластинки выполняют раз-
различные устройства, прежде всего —
распределённая система электроаку-
электроакустических преобразователей — приём-
приёмников звука: микрофоны, гидрофо-
гидрофоны и пр. В области высокочастотного
УЗ существуют другие способы реги-
регистрации. Используются также устрой-
устройства формирования голограммы и пре-
преобразования акустич. голограммы
в оптическую, к-рая затем восстанав-
восстанавливается в когерентном световом по-
потоке лазера.
При использовании системы линей-
линейных преобразователей, позволяющих
передать фазу сигнала, можно отка-
отказаться от акустич. опорного сигнала
и заменить его электрическим. Интер-
Интерференция в этом случае осуществля-
осуществляется суммированием принятых каж-
каждым из приёмников сигналов с опор-
опорным электрическим. Используется
также перемножение принятого и
опорного сигнала с последующим ин-
интегрированием по времени — т. н.
корреляционный способ записи аку-
акустич. голограмм.
Для преобразования акустич. или
электрич. голограммы, зафиксирован-
зафиксированной системой приёмников звука, в он
тическую можно применить любой
способ модуляции светового потока,
напр, соединить выходы каналов каж-
каждого приёмника с лампочками и сфо-
сфотографировать полученную картину.
При таком способе число отдельных
акустич. приёмников-преобразовате-
приёмников-преобразователей должно быть очень велико — до
десятков и сотен тысяч.
В случае, когда не требуется быст-
быстродействие, систему приёмников мож-
можно заменить одним приёмником, скани-
сканирующим звуковое поле в заданной
плоскости Р (рис. 3), к-рый переме-
Рис. 3. Схема получения акустической
голограммы механическим сканированием
поля одиночным приёмником: 1 — задаю-
задающий генератор; 2 и я — излучатели зву-
звука; 4 — предмет; s — сканирующий при-
приёмник звука; 6 — плоскость сканирования;
7 — электроннолучевая трубка; * — фото-
фоторегистратор.
щается в плоскости сначала по гори-
горизонтали, затем смещается на задан-
заданную величину по вертикали и сно-
снова перемещается по горизонтали, но
в обратную сторону. С приёмника зву-
звука 5 сигнал после необходимой обра-
92
ГОЛОГРАФИЯ
ботки поступает на модулятор яркости
луча электроннолучевой трубки 7.
Пятно луча перемещается по экрану
синхронно с движением сканирующего
приёмника, и на экране последова-
последовательно высвечивается акустич. голо-
голограмма. На этом этапе происходит
первое масштабное преобразование,
Рис. 4. Оптическая схема восстановления
акустических голограмм: 1 — лазер; 2 —
коллиматор; 3 — слабая отрицательная
линза; 4 — акустическая голограмма;
S — пространственный фильтр; 6 — сфе-
сферическая линза (объектив); 7 и * — вос-
восстановленные изображения; 9 — плоскость
регистрации.
т. е. входная акустич. апертура, рав-
равная площади сканирования, превра-
превращается в изображение на электрон-
электроннолучевой трубке обычно с коэфф.
уменьшения ~ 200—500. С экраном
трубки совмещён фоторегистратор 8,
в плоскости изображения к-рого уста-
установлена фотопластинка. При этом
происходит дополнительное уменьше-
уменьшение голограммы с коэфф. —5—10.
После того как приёмник просканиру-
ет всю заданную площадь, затвор фо-
фоторегистратора закрывается, и далее
пластинка обрабатывается обычным
образом.
Полученную голограмму восстанав-
восстанавливают с помощью оптич. установки
(рис. 4), состоящей из источника ко-
когерентного света 1 — лазера, обычно
работающего в непрерывном режиме
генерации, коллиматора 2, создаю-
создающего параллельный пучок света (пло-
(плоская восстанавливающая волна), пло-
плоскости голограммы 4, линзы или объ-
объектива 6 для увеличения восстанов-
восстановленного изображения и плоскости
регистрации 9. Способ сканирования
одиночным приёмником требует до-
достаточного времени для съёма голо-
голограммы E—10 минут), но благодаря
простоте он широко применяется в ла-
лабораторных голографических исследо-
исследованиях и в системах УЗ-вой дефекто-
дефектоскопии.
Вместо одиночного приёмника мож-
можно использовать механич. перемеще-
перемещение линейной протяжённой антенны.
При этом время съёма информации по
одной координате может быть сделано
очень малым путём применения элек-
электронного опроса приёмников антенны,
а по второй — занимать не более не-
нескольких десятков секунд. Этот спо-
способ аналогичен сканированию одним
приёмником, однако число электрон-
электронных каналов при параллельной обра-
обработке равно числу приёмников в ан-
антенне и составляет обычно 100—300.
Если длина сканирования равна дли-
длине антенны, то эквивалентное число
приёмников равно 10*—9 -Ю4. Такой
способ получения акустич. голограмм
применяется для решения целого ряда
практич. задач в гидроакустике.
В голографич. устройствах с ли-
линейными антеннами для облучения
предмета иногда используется им-
импульсное излучение. Это позволяет
отказаться от механич. перемещения
антенны и формировать акустич. го-
лохраммы в режиме, к-рый наз. «ази-
«азимут — дальность», голограмма в этом
случае строится не в плоскостных
координатах х и у, а в координатах
угол — время.
Наибольшее быстродействие дают
способы регистрации акустич. голо-
голограмм, основанных на применении
приёмной антенны, выполненной в ви-
виде двумерной матрицы приёмников
(рис. 5); при этом сигналы опрапш-
<оток от
лазера
Рис. 5. Схема голографического устрой-
устройства с матричной двумерной антенной:
1 — антенна; 2 — устройство параллель-
параллельного формирования голограмм; 3 — уст-
устройство отображения голограммы на
трубке с мишенью из электрооптического
кристалла; 4 — оптическая система вос-
восстановления изображения; 5 — индика-
индикатор; 6 — задающий генератор; 7 — излу-
излучатель; 8 — предмет.
ваются и обрабатываются электрон-
электронным способом. Такие устройства поз-
позволяют получать изображения пред-
предметов в масштабе реального времени.
Для записи акустич. голограмм в них
применяется не фотоплёнка, а специ-
специальные носители, не требующие ника-
никакой дополнительной обработки (термо-
ГОЛОГРАФИЯ
93
пластики, электрооптич. кристаллы,
жидкие кристаллы, оптич. керамика
и т. п.). Напр., при записи голограм-
голограммы на электроннолучевой трубке, ми-
мишень к-рой выполнена из прозрачного
для света электрооптич. кристалла
типа ДКДП, электронный луч изме-
изменяет локальный коэфф. преломления
кристаллич. мишени в соответствии
с интерференционной акустич. карти-
картиной рассеянного поля. Направляя на
мишень световой поток от лазера,
можно наблюдать в нек-рой области
пространства восстановленное аку-
акустич. изображение предмета. В подоб-
подобных устройствах число приёмных эле-
элементов в антенне может быть достаточ-
достаточно велико, что создаёт определённые
технич. трудности при практич. реа-
реализации.
Описанные методы получения аку-
акустич. голограмм используются в основ-
основном в диапазоне звуковых и низких
УЗ-вых частот от 1 до 300—500 кГц.
В более высокочастотном диапазоне
методы регистрации голограммы осно-
основываются на нек-рых способах непо-
непосредственной визуализации УЗ-вых
полей без предварительной записи
оптич. изображения акустич. голо-
голограммы.
Метод поверхностного
рельефа. Наибольшее распростра-
распространение получили способы, основанные
на методе поверхностного рельефа.
Звуковая волна, падающая на отра-
отражающую поверхность воды, создаёт
на ней давление звукового излучения,
пропорциональное интенсивности зву-
звука, и деформирует её. Если деформи-
деформированную поверхность осветить коге-
когерентным светом, то возникает фазовая
модуляция отражённого света, к-рую
для получения оптич. изображения
необходимо превратить в амплитуд-
амплитудную. Это можно сделать, напр., при-
применяя теневой метод или метод фазо-
фазового контраста. Однако при этом очень
плохо передаётся информация о низ-
низких пространственных частотах, к-рые
доминируют в акустич. изображении.
Голографич. метод регистрации позво-
позволяет устранить этот недостаток и пере-
передать информацию о низкочастотной
структуре изображения, поскольку
её можно перенести на высокочастот-
высокочастотную пространственную несущую —
опорный пучок. Одной из разновид-
разновидностей метода является т. н. безлин-
безлинзовая Г., при к-рой предмет 3 (рис. 6)
располагают так, чтобы интерферен-
интерференционная картина на поверхности во-
воды представляла собой его простран-
пространственный спектр. Это можно сделать
либо с помощью акустич. линзы, либо,
если позволяют размеры ванны, раз-
размещением предмета на достаточно
Рис. 6. Схема безлинзовой "ультразвуко-
"ультразвуковой голографии: 1 — излучатели; 2 —
акустические линзы; 3 — предмет; 4 —
кювета с водой; 5 — полупрозрачное зер-
зеркало; в — оптическая система восстанов-
восстановления; 7 — плоскость регистрации изобра-
изображения.
большом расстоянии от поверхности
воды. Оптич. восстановление изобра-
изображения осуществляется сферич. лин-
линзой, в фокальной плоскости к-рой
устанавливается регистрирующее уст-
устройство.
Методы д инамической
УЗ-вой голографии осно-
основаны также на деформации поверх-
поверхности, но деформация в этом случае
зависит от звукового давления не
квадратично, а линейно. При про-
прохождении звука через акустически
прозрачную плёнку он не оказывает
на неё давления излучения, однако
она участвует в движении среды и её
отклонения пропорциональны колеба-
колебательному смещению. Если нанести на
плёнку отражающее свет покрытие,
то деформация её может быть преобра-
преобразована в фазовую модуляцию свето-
светового потока, падающего с обратной
по отношению к звуку стороны плён-
плёнки. С помощью разнообразных схем
демодуляции светового излучения мо-
можно сделать видимыми смещения уча-
участков плёнки в акустической волне.
Этот метод применяется, напр., для
визуализации колебаний поверхно-
поверхности твёрдого тела, граничащей с газо-
газовой фазой (рис. 7). Лазерный луч 1,
сканирующий отражающую поверх-
94
ГОЛОГРАФИЯ
ность 2. считывает информацию о её
деформации, в результате происходит
фазовая модуляция светового потока.
С помощью линзы 4 выходной зрачок
отклоняющего пучок устройства про-
проектируется на входную апертуру де-
детектора 6 (напр., фотодиода), перед
к-рым установлена ножевая диафраг-
диафрагма 5, преобразующая фазовую моду-
модуляцию в амплитудную. На выходе
фотодиода получается сигнал, пропор-
пропорциональный амплитуде смещения по-
поверхности, к-рый далее перемножает-
перемножается с опорным и модулирует по яркости
Рис. 7. Схема получения динамической
акустической голограммы (по Габору):
1 — сканирующий луч лазера; г — све-
светоотражающее покрытие; 3 — излуча-
излучатель ультразвука; 4 — линза; 5 — ноже-
ножевая диафрагма; 6 — фотодиод; 7 — уси-
усилитель; 8 — задающий генератор; 9 —•
перемножитель; 10 — индикатор голо-
голограммы; 11 — предмет.
луч электроннолучевой трубки 10.
На экране трубки возникает изобра-
изображение акустич. голограммы, к-рую
фотографируют и восстанавливают по
обычной схеме. Освещая сразу всю
деформированную поверхность равно-
равномерным широким пучком света и при-
применяя для преобразования фазовой
модуляции в амплитудную метод фа-
фазового контраста или метод Теплера,
можно наблюдать восстановленное изо-
изображение в масштабе реального вре-
времени. В этом случае опорный пучок не
нужен, поскольку пространственный
детектор является линейным.
Особенности акустической гологра-
голографии. В акустич. Г. запись голограммы
осуществляется на звуковых волнах
с длиной волны А,зв, а восстановление
происходит в оптич. диапазоне при
значительно меньшей длине волны
А,св. Для того чтобы получить неиска-
неискажённое изображение предмета, аку-
акустич. голограмму необходимо умень-
уменьшать точно в |я = А,зв/А,св Раз- Для
звукового диапазона частот |я ^ 10°—
—107. При таком большом умень-
уменьшении восстановленные изображения
приходится рассматривать в очень
сильный микроскоп, т. к. размеры
голограмм получаются очень малыми.
Напр., если акустич. голограмма запи-
записывалась при Язв = 1—2 см, а восста-
восстановление осуществлялось при А,св =
= 0,63 мкм (красный свет), то
|я = 3-Ю7. Если акустич. голограмма
записывалась по площади 3 м X 3 м,
то размер эквивалентной оптич. голо-
голограммы равен 300 мкм X 300 мкм.
Без микроскопа такую голограмму
невооружённым глазом рассмотреть
трудно, не говоря уже о том, что для
ее записи потребуется фотоматериал
с очень высокой разрешающей спо-
способностью. По этой причине акустич.
голограммы уменьшают не точно в ц
раз, а так, чтобы с полученной оптич.
голограммой было удобно работать;
обычно её размеры составляют от 1
до 10 мм. Естественно, что при этом
возникают искажения в восстановлен-
восстановленном изображении. Основное искаже-
искажение обусловлено тем, что при умень-
уменьшении акустич. голограммы в т раз
поперечные размеры предмета умень-
уменьшаются также в т раз, а продоль-
продольные — в т2/|я раз. Для получения не-
неискажённого изображения необходи-
необходимо, чтобы т = ц; важно также, чтобы
опорные и восстанавливаемые волны
были плоскими.
Качество акустич. голограмм и вос-
восстановленных изображений можно оце-
оценивать разрешающей способностью б,
т. е. минимальным расстоянием между
двумя точками, к-рые можно увидеть
раздельно с помощью голограммы, где
б = Язв R/D (R — расстояние от пред-
предмета до плоскости регистрации, D —
линейный размер плоскости регист-
регистрации акустич. голограммы).
Применение акустической гологра-
голографии. Наиболее широко методы аку-
акустич. Г. используются для целей меди-
медицинской УЗ-вой диагностики: визу-
визуализации кровеносных сосудов, зло-
злокачественных образований, получения
изображений внутренних органов (по-
(почек, глазного дна, желчного пузыря
и др.). Голографич. методы позволяют
получить, в частности, наиболее точ-
ГОРЕНИЕ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
95
иую информацию о внутриутробном
развитии человека. Имеется серийная
аппаратура для этих целей. Для
биология, исследований выпускают-
выпускаются голографич. УЗ-вые микроскопы с
разрешением ~10—15 мкм. Возмож-
Возможно применение методов УЗ-вой Г.
в УЗ-вой дефектоскопии для визуа-
визуализации дефектов от 1 до нескольких
мм (раковины, трещины, инородные
включения и пр.). Получение более
высокой разрешающей способности ог-
ограничивается отсутствием мощных ши-
широконаправленных УЗ-вых излучате-
излучателей, необходимых для равномерного
облучения образцов. Методы акустич.
Г. находят применение в гидролокации
для наблюдения за объектами на рас-
расстоянии порядка сотни метров. Созда-
Созданы специальные голографич. устройст-
устройства для целей подводного наблюдения.
Примером подобного устройства может
служить система, содержащая при-
приёмную антенну из 104 приёмных эле-
элементов с электронной коммутацией,
с записью голограмм на электроннолу-
электроннолучевой трубке, обладающей мишенью
из электрооптич. кристалла. Быстро-
Быстродействие такой системы —16 кадров
в секунду, угловое разрешение — не-
несколько минут. В отличие от извест-
известных устройств голографич. метод обра-
обработки информации позволяет получать
фокусируемые изображения дна в ре-
режиме «азимут — дальность». Методы
акустич. Г. используются и для ре-
решения различных задач пространст-
пространственно-временной обработки гидроаку-
стич. информации, в частности для
формирования характеристик направ-
направленности, корреляционного и спект-
спектрального анализа, согласованной
фильтрации и т. п.
Лит.: Островский Ю. И., Гологра-
Голография, Л., 1970; Бабин Л. В., Г у р е-
вич С. Б., Акустическая голография. Об-
Обзор, «Акуст.ж.», 1971, т. 17, в. 4; Свет
В. Д., Оптические методы обработки сигна-
сигналов, М., 1971; его ж е, Методы акустиче-
акустической голографии. Л., 1976; Применения голо-
голографии, пер. с англ., М., 1973. В.Д.Свет.
ГОРЕНИЕ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ
ПОЛЕ. Горение — быстропротекаю-
щее химич. превращение с выделени-
выделением большого количества тепла, сопро-
сопровождается такими физич. процессами,
как тепло- и массообмен, и подчиня-
подчиняется определённым газодинамич. за-
закономерностям. Интенсивные акустич.
колебания могут в известной степени
воздействовать на газодинамич. харак-
характеристики (напр.4 турбулентные) по-
потока; поэтому хотя они и не в состоя-
состоянии изменять сам процесс химич. пре-
превращения, однако могут влиять на со-
сопровождающие его явления и тем
самым — на режим горения. В значи-
значительной мере воздействие акустич.
колебаний на горящий факел объяс-
объясняется ускорением тепломассообмена
в ультразвуковом поле. Оно имеет
место как при гомогенном горении,
когда горючее и окислитель находятся
в газовой фазе, так и при гетероген-
гетерогенном, когда используется жидкое или
твёрдое топливо. В зависимости от
вида топлива, от газодинамич. харак-
характеристик потока горючей смеси, от
типа горения, от интенсивности и ча-
частоты звука воздействие это проявля-
проявляется по-разному. При нек-рых усло-
условиях можно получить положительные
эффекты, напр, изменить форму факе-
факела, повысить градиенты темп-р в зоне
горения и тем самым увеличить теп-
теплоотдачу от факела к тепловосприни-
мающим поверхностям, до нек-рой
степени увеличить скорость горения.
В других случаях (например, при го-
горении предварительно подготовленной
смеси) акустич. колебания влияют от-
отрицательно, увеличивая протяжённость
факела. Акустическое воздействие на
процессы образования смеси и самого
горения наблюдается при весьма
высоких уровнях звукового давления
(> 100—110 дБ) и усиливается с по-
повышением интенсивности звука.
Влияние акустич. поля на процесс
горения имеет место практически во
всём диапазоне Рейнолъдса чисел Re,
характеризующих поток горючей сме-
смеси, начиная с ламинарного режима
(Re = 50—2000) и кончая режима-
режимами развитой турбулентности (Re =
= 5-10* — 105). При ламинарном го-
горении механизм воздействия акустич.
колебаний связан с появлением аку-
акустических течений у среза газового
сопла и увеличением потока окислите-
окислителя к корню факела. Акустич. тече-
течениями объясняется также изменение
пределов существования стабильного
пламени (увеличение вероятности на-
наступления режима проскока пламени
внутрь горелки). При турбулентных
режимах горения влияние акустич.
колебаний проявляется в изменении
гидродинамич. устойчивости струи го-
горючей смеси. В зависимости от часто-
частоты звуковое поле может либо способ-
способствовать более интенсивному вихре-
96
ГОРЕНИЕ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
образованию, а следовательно, и про-
процессу развития турбулентности, либо
задержать этот процесс. По имею-
имеющимся данным, наиболее сильное воз-
воздействие наблюдается на частотах,
близких к собственной частоте струи,
определяемой Струхаля числом Sh —
= jdlu = 0,1—0,3 (где / — частота
звука, d — характерный размер струи,
напр, диаметр на выходе из сопла
или смесителя, и — скорость струи).
Для реальных горелок эти частоты
имеют порядок единиц или десятков
кГц. В этом случае УЗ-вые колебания
играют роль своеобразного синхрони-
синхронизатора, регулирующего лишь перио-
периодичность образования вихрей на по-
поверхности струи. Развитие вихрей
идёт за счёт энергии самого потока,
поэтому процесс может проходить
при относительно небольших уровнях
звукового давления A10—130 дБ),
и энергия звукового поля составляет
доли процента от кинетич. энергии
струи. В случае Sh > 2 УЗ-вые коле-
колебания оказывают стабилизирующее
воздействие, способствуя затягива-
затягиванию перехода к турбулентному режи-
режиму течения. При высоких уровнях зву-
звукового давления A60—170 дБ), по-
видимому, возможно дестабилизирую-
дестабилизирующее действие в широком диапазоне
частот.
Воздействие акустич. колебаний на
газодинамич. характеристики потока
торючей смеси интенсифицирует про-
процессы тепломассообмена, что в свою
очередь влияет и на сам процесс горе-
горения. Для разных типов горения он
идёх' по-разному. Турбулентное Г.
в у. п. газообразного топлива при
диффузионном режиме (когда смеше-
смешение топлива с окислителем осущест-
осуществляется непосредственно в пламени
и скорость горения лимитируется
процессом смешения) интенсифициру-
интенсифицируется благодаря ускорению диффузии
окислителя в зону горения. Это обус-
обусловлено изменением масштаба и ин-
интенсивности турбулентности в этой
зоне при воздействии колебаний. При
этом уменьшается длина факела, уско-
ускоряется выгорание в объёме топочной
камеры и растёт темп-pa. Одновремен-
Одновременно интенсивные акустич. колебания,
увеличивая теплоотдачу факела, ухуд-
ухудшают условия воспламенения, поэтому
для предотвращения срыва горения
необходимо обеспечить хорошую ста-
стабилизацию пламени. Максимальное
возмущающее действие акустич. коле-
колебаний наблюдается при составах горю-
горючей смеси, близких к стехиометриче-
скому. Г. в у. п. предварительно
подготовленной газовой смеси при
высоких уровнях звукового давле-
давления A50—160 дБ) сопровождается
увеличением протяжённости холод-
холодного ядра, что, по-видимому, является
следствием ухудшения условий вос-
воспламенения. Поэтому в горелках
с предварительной подготовкой горю-
горючей смеси применение УЗ-вых колеба-
колебаний целесообразно лишь для интен-
интенсификации процесса смешения топлива
с окислителем; в связи с этим конст-
конструкции таких горелок должны преду-
предусматривать создание ультразвукового
поля лишь в начальной части сме-
смесителя.
При Г. в у. п. жидкого топлива
воздействие акустич. колебаний сво-
сводится к ускорению испарения капель
под влиянием акустич. микропото-
микропотоков, возникающих около них. При го-
горении твёрдых частиц подобные мик-
микропотоки способствуют подводу окис-
окислителя к реагирующей поверхности.
Диффузия к поверхности частицы
в этом случае увеличивается пропор-
пропорционально амплитуде колебательной
скорости частиц и падает с частотой
как У f.
В промышленных горелочных уст-
устройствах для создания УЗ-вых коле-
колебаний в основном применяются газо-
газоструйные излучатели стержневого ти-
типа и, реже, вихревые свистки или
магнитострикционные преобразовате-
преобразователи. При этом излучатели одновре-
одновременно используются как в качестве
газового сопла (в газовых горелках)
или распылительной форсунки (в жид-
жидкостных горелках), так и в качестве
акустич. генератора, интенсифициру-
интенсифицирующего процесс смешения топлива
с окислителем. Известно несколько
типов акустич. горелок, в т. ч. инжек-
ционные, с регулируемой длиной фа-
факела, двухпроводные, комбинирован-
комбинированные нефтегазовые и газомазутные.
На рисунке приведена схема од-
одной из инжекционных акустич. горе-
горелок высокого давления с большим
интервалом регулирования произво-
производительности при сохранении автомо-
дельности режима в пределах для
давления подаваемого газа 0,5—6 атм.
Акустич. горелки работают обычно
в диапазоне высоких звуковых ча-
ГРУППОВАЯ СКОРОСТЬ
97
стот при акустич. мощности от несколь-
нескольких десятков до сотен Вт.
Акустич. горелки с регулируемой
длиной пламени могут быть использо-
использованы в туннельных и барабанных пе-
печах, диффузионные горелки — в на-
Схема инжекционной акустической го-
горелки: 1 — газоструйный излучатель;
2 — воздушная шайба для регулировки
подсоса воздуха; 3 — подвод газа; 4 —
входной конфузор; 5 — смеситель; в —
водоохлаждаемый носик; 7 — горелочный
тоннель.
грсвательных печах для ускорения
нагрева металлич. слитков или плав-
плавления металла.
Лит.: Кинетика горения ископаемых
топлив, Новосиб., 1963; Дорошен-
Дорошенко В. Е., Фурлетов В. И., О воздей-
воздействии звука на турбулентное пламя, «Фи-
«Физика горения и взрыва», 1969, т. 5, №1;
Борисов Ю. Я.ид р., О влиянии аку-
акустических колебаний на газовый факел,
там же, 1971, т. 7, № 3; Л а в р о в Н. В.
и др., Акустические газовые горелки вы-
высокого давления, в сб.: Теория и практика
сжигания газа, в. 5, Л., 1972.
Ю. Я. Борисов.
ГРУППОВАЯ СКОРОСТЬ — ско-
скорость огибающей профиля квазимоно-
хроматич. волны. Г. с.— обобщение
понятия скорости, связанное с раз-
различием между явлениями распростра-
распространения волн и движением материаль-
материальных тел. Чтобы говорить о скорости
к.-л. объекта, необходимо иметь воз-
возможность отождествлять его в разные
моменты времени. Отождествление тел
или частиц тел возможно всегда;
но бегущая волна связана в разные
моменты времени с различными точка-
точками среды, и поэтому для неё отождест-
отождествление может относиться только к фор-
форме («профилю») волны. Если форма
волны при распространении сохраня-
сохраняется (волны в струне, упругие волны
малой амплитуды в сплошных средах),
то отождествление возможно (рис. а).
Если же профиль меняет свою форму
так, что отождествить на нём соответ-
соответственные точки в разные моменты вре-
времени невозможно (напр., изгибные
волны в стержне, рис. б), то понятие
скорости для такой волны теряет
смысл.
Сохранение или несохранение фор-
формы профиля зависит от самого вида
профиля и от свойств среды. Моно-
хроматич. волны сохраняют форму
профиля при распространении в лю-
любой линейной среде. Поведение волн
другой формы зависит от дисперсии
в среде (зависимости фазовой скоро-
скорости от длины волны X или, что тоже,
от частоты ш). Т. к. для линейных сред
справедлив принцип суперпозиции,
то бегущую волну любой формы мож-
можно рассматривать как интерференци-
интерференционную картину, образованную нало-
наложением монохроматич. волн разной
длины, бегущих со своими фазовыми
скоростями (разложение Фурье). В от-
отсутствии дисперсии фазовые скорости
компонент одинаковы и вся интерфе-
интерференционная картина, а значит, и про-
профиль волны движутся не меняясь,
с той же скоростью. В диспергирую-
диспергирующих же средах скорости монохрома-
монохроматич. волн разной длины различны,
и по мере распространения они «рас-
фазировываются» друг с другом. В ре-
а — волна, распространяющаяся без из-
изменения формы; б — волна, меняющая
свою форму при распространении; пунк-
пунктир — профиль водны в начальный момент,
сплошная линия — форма волны в неко-
некоторый последующий момент времени; в —
распространение квазимонохроматической
волны; с — фазовая скорость; и — группо-
групповая скорость (скорость огибающей).
зультате этого интерференционная
картина и профиль волны не сохра-
сохраняются, и, следовательно, понятие
скорости к волне неприменимо.
Если, однако, волна квазимонохро-
квазимонохроматическая (т. е. в её спектре пред-
представлен с заметной интенсивностью
только узкий диапазон Ак волновых
чисел к), то она изображается синусо-
98
ГРУППОВАЯ СКОРОСТЬ
идой с плавно меняющимися амплиту-
амплитудой и фазой (рис. <?), и в этом случае
имеется элемент интерференционной
картины, мало меняющейся при рас-
распространении: это — огибающая про-
профиля волны. Форма огибающей оп-
определяется фазовыми соотношениями
между компонентами волны. Разность
фаз между какими-нибудь . компонен-
компонентами cos(a>it — к^х) и cos(co2i — к2х)
равна (со2 — сох)г — (кг — кг)х.
В момент t + At та же разность
фаз окажется в точке х -\- ^—^-At.
Т. о., эта разность фаз перемещается
со скоростью ~"'. Такие же фор-
формулы получатся и для скорости пере-
перемещения разностей фаз любых дру-
других компонент. При достаточно узком
спектре волны можно приближённо
считать все эти величины равными
производной dm/dk для нек-рой сред-
средней частоты (т. н. несущая частота)
данной квазимонохроматич. волны.
Следовательно, вся картина фазовых
соотношений, а значит, и огибающая
движутся почти без изменений с этой
же скоростью — Г. с. и = dm/dk. При
этом сама волна бежит внутри оги-
огибающей с фазовой скоростью с = со/А;,
соответствующей несущей частоте.
Можно показать, что
, . dc л
и = с 4- к -тг- = с — Л
1 ah
dc
dl
В отсутствия дисперсии Г. с. равна
фазовой скорости волн. В дисперги-
диспергирующих средах Г. с. может быть как
меньше фазовой (напр., гравитацион-
гравитационные волны на поверхности жидкости,
и = V2 с), так и больше неё (корот-
(короткие капиллярные волны, и = 3/2 с,
изгибные волны, и = 2с). Возможны
и нулевая Г. с. и Г. с, имеющая знак,
противоположный знаку фазовой ско-
скорости (огибающая стоит на месте,
огибающая движется навстречу пере-
перемещению фазы). При преломлении
волн на границе двух сред, в одной
из к-рых знаки фазовой и Г. с. проти-
противоположны, преломлённый луч рас-
располагается, в отличие от случая оди-
одинаковых знаков скоростей, по ту же
сторону от нормали к границе, что
и падающий луч. Г. с. вообще зависит
от частоты несущей, в результате чего
огибающая медленно деформируется
по мере распространения. Деформа-
Деформация остаётся малой в течение времени
Т, характеризуемого неравенством:
«(du/dft)(M)'. Г- С- РаВНа СКОР°~
сти перемещения энергии в квази-
квазимонохроматич. волне: плотность энер-
энергии Е и плотность потока энергии /
связаны соотношением: / = иЕ. По-
Поскольку монохроматич. волна не мо-
может передавать информацию, а моду-
модулированная волна, способная передать
информацию, — немонохроматическая,
то скорость распространения ин-
информации (скорость сигнала) также
равна Г. с. Понятие Г. с. особенно
важно в средах с большой дисперсией
(например, в волноводах различного
типа).
Различие между фазовой скоростью
и Г. с. приводит к существенному раз-
различию между временной и пространст-
пространственной формами волны, что не имеет
места в недиспергирующих средах.
Так, в квазимонохроматич. гравита-
гравитационной волне на поверхности жидко-
жидкости число циклов, т. е. горбов (или
впадин), охватываемых огибающей во
временной записи волны в фиксиро-
фиксированной точке среды, вдвое больше
числа циклов в «моментальной фото-
фотографии» волны в пространстве. Для
изгибных волн имеет место обратное
соотношение. Излучатель, действую-
действующий на поверхность воды и совершив-
совершивший N циклов, создаст бегущую груп-
группу гравитационных волн, насчиты-
насчитывающую лишь N12 циклов, тогда как,
действуя на стержень, излучатель
создаст группу изгибных волн, содер-
содержащую 2N циклов. Вообще отноше-
отношение числа циклов во временной за-
записи к числу циклов в «моментальной
фотографии» равно с/и.
Понятие Г. с. позволяет также вы-
выяснить основные черты изменения ши-
широкополосного сигнала при его рас-
распространении в диспергирующей сре-
среде. В этом случае огибающая сигнала
не сохраняется: группы квазимоно-
квазимонохроматич. волн, соответствующие раз-
различным узким участкам суммарного
широкого спектра, распространяются
каждая со своей Г. с, и сигнал
«расползается», образуя «синусоиду»,
вдоль к-рой меняются не только амп-
амплитуды и фазы, но п несущие частоты,
причём последние следуют в порядке
соответственных Г. с. и в голове
сигнала бежит квазимонохроматич.
волна с наибольшей Г. с. (к-рая может
и не соответствовать наибольшей фа-
фазовой скорости).
ДАВЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
99
В поглощающих средах примени-
применимость понятия Г. с. ограничена тем,
что спектр исходной волны изменя-
изменяется по мере её распространения, т. к.
поглощение волн зависит от частоты.
Пользоваться понятием Г. с. для опи-
описания поведения волн целесообразно,
только пока изменения спектра оста-
остаются малыми. То же относится и к не-
нелинейным средам, в к-рых спектр волн
также меняется при распространении.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959, гл. 5, §9; М а н-
дельштамЛ. И., Лекции по теории ко-
колебаний, М., 1972. М. А. Исакович.
д
ДАВЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО ИЗЛУ-
ИЗЛУЧЕНИЯ (радиационное дав-
давление, давление звук а) —•
среднее по времени избыточное дав-
давление на препятствие, помещённое
в звуковое поле. Д. з. и. определяет-
определяется импульсом, передаваемым волной
в единицу времени единице площади
препятствия. Поскольку плотность
потока импульса есть тензор, Д. з. и.
имеет тензорный характер, что про-
проявляется, в частности, в зависимости
Д. з. и. от ориентации препятствия
относительно направления распрост-
распространения звуковой волны. Теоретиче-
Теоретически наличие Д. з. и. было установлено
Дж. У. Рэлеем в 1902. Он показал,
что Д. з. и. Р на полностью отражаю-
отражающую звук плоскую поверхность при
нормальном падении на неё плоской
волны определяется с точностью до
членов 2-го порядка включительно
ф-лой:
Р=°<-±±9и* = (у + 1)Ек, A)
где р — плотность невозмущённой
среды, v — амплитуда колебательной
скорости частиц в пучности скорости
стоячей волны, Ек — средняя по вре-
времени и пространству плотность кине-
тич. энергии звуковой волны, v —
константа, характеризующая свойст-
свойства среды, для газов у = Ср/Су —
отношение топлоёмкостей при посто-
постоянном давлении и объеме. Практиче-
Практически Д. з. и., определяемое ф-лой A)
(т. н. давление Рэлея), имеет место
при распространении плоской звуко-
звуковой волны в безграничной среде. По-
Подобные условия создаются, напр.,
в жёсткой трубе, когда волну можно
считать плоской.
Д. з. и., создаваемое ограниченной
по фронту плоской волной, распрост-
распространяющейся в безграничной невозму-
невозмущённой среде (т. н. УЗ-вым пучком
или лучом), впервые было вычислено
П. Ланжевеном и названо давлением
Ланжевена. В случае нормального па-
падения луча на полностью отражающую
плоскую поверхность это Д. з. и.
определяется ф-лой:
Р = р»«/4 = 2Eh. B)
В тех случаях, когда средние по вре-
времени плотности потенциальной и кине-
тич. энергий равны друг другу, дав-
давления Рэлея и Ланжевена пропор-
пропорциональны плотности полной энергии
звуковой волны (аналогично давлению
света) или интенсивности звука. Дав-
Давление Ланжевена на частично отра-
отражающее твёрдое препятствие равно:
Р = A + №) Е,
где R — коэфф. отражения по давле-
давлению (см. Отражение звука), Е — сред-
среднее по времени значение плотности
полной энергии в падающей волне.
При нормальном падении звукового
пучка ограниченного сечения на по-
поверхность раздела двух сред эта по-
поверхность испытывает Д. з. и., выра-
выражаемое ф-лой:
P = 2Ehl(t+&)-2Eht,
где Ehl и Eh2 — средние по времени
значения плотности кинетич. энер-
энергии падающей волны в первой среде
и прошедшей волны во второй среде
соответственно. Если Л = О, то Р
определяется только плотностью кине-
кинетич. энергии в обеих средах и не зави-
зависит от направления распространения
волны относительно границы. Д. з. и.,
юо
ДЕВИАЦИЯ ЧАСТОТЫ
действующее на границе раздела двух
жидких или жидкой и газообразной
сред, приводит к вспучиванию поверх-
поверхности раздела, к-рое при достаточной
интенсивности переходит в фонтани-
фонтанирование. Это явление используется
при УЗ-вом распылении жидкостей.
Д. з. и. играет важную роль в процессе
УЗ-вой коагуляции аэрозолей.
Будучи эффектом 2-го порядка ма-
малости, Д. з. и. мало по сравнению
с переменным звуковым давлением.
Напр., в воде при интенсивности зву-
звука порядка 10 Вт/см2 амплитуда зву-
звукового давления р = 5-Ю8 дин/см2,
а Д. з. и. Р = 103 дин/см2. В воздухе
при интенсивности звука 1 Вт/см2,
т. е. при уровне интенсивности 160 дБ,
достигаемом в промышленных уста-
установках для коагуляции аэрозолей,
р чв 3-Ю4 дин/см2, а Р я» 102 дин/см2.
Д. з. и. используется при определении
абсолютного значения интенсивности
звука с помощью радиометра или по
вспучиванию границы раздела сред.
В условиях невесомости может при-
применяться в экспериментах по стабили-
стабилизации предметов в пространстве, пе-
перекачке жидкости и т. п.
Лит.: С т р е т т Дж. В. (лорд Рэлей), Тео-
Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 2, М.,1955,
§253 а; 3 а р ем б о Л. К., Красильни-
к о в В. А., Введение в нелинейную акустику,
М., 1966; Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
М., 1956, гл. 1, § 1; К о р н ф е л ь д М.,
Шолохова Н., «Докл. АН СССР», 1955,
т. 105, в. 3, с. 476. К. А. Наугольных.
ДЕВИАЦИЯ ЧАСТОТЫ — откло-
отклонение частоты колебаний от среднего
значения. В частотной модуляции ко-
колебаний Д. ч. обычно наз. максималь-
максимальное отклонение частоты. От его зна-
значения существенно зависит спектр
частотно-модулированного колебания.
ДЕГАЗАЦИЯ ультразвуко-
ультразвуковая — уменьшение содержания газа
в жидкости, находящегося в ней как
в растворённом состоянии, так и в виде
пузырьков, под воздействием акустич.
колебаний УЗ-вого диапазона. Основ-
Основные характеристики процесса Д.: ско-
скорость изменения концентрации С газа
в жидкости dC/dt и квазиравновесная
концентрация газа Ср', т. е. постоян-
постоянная концентрации, к-рая устанавли-
устанавливается в жидкости при наличии
УЗ-вого поля через нек-рый промежу-
промежуток времени. Изменение концентрации
газа в жидкости в акустич. поле опи-
описывают выражением:
С = Ср' + (Со- Ср')е-№,
где Со — начальная концентрация, t—
время, р — параметр, определяемый
акустич. характеристиками — интен-
интенсивностью звука и частотой звуковых
колебаний.
Различают два режима УЗ-вой Д.:
докавитационный и при наличии ка-
кавитации. В первом случае скорость
изменения концентрации пропорцио-
пропорциональна интенсивности звука, а её
зависимость от частоты, полученная
на основе обобщения данных экспери-
эксперимента, имеет вид: dC/dt = В fne~ht, где
В, п и к — константы. Для Д. воды
(по воздуху) при интенсивности
0,03 Вт/см2 В = 2,3-Ю3, п= 1,43
и к — 6,7 • 10~в скорость изменения
концентрации максимальна на частоте
/ ss 200 кГц. Величина Ср' от интен-
интенсивности звука и частоты не зависит.
Влияние акустич. колебаний на уста-
установившееся значение концентрации
характеризуется безразмерным пара-
параметром у = (Ср — Ср')/Ср, где Ср —
равновесная концентрация в отсутст-
отсутствии звука. При статич. давлении 1 атм
и темп-ре 20 °С величина у составляет
около 30%. С понижением статич.
давления параметр у растёт и при дав-
давлении 0,5 атм достигает 70%.
При наличии кавитации скорость
изменения концентрации также про-
пропорциональна интенсивности звука, но
растёт с увеличением последней быст-
быстрее, чем в докавитационном режиме,
т. к. кавитация способствует ускоре-
ускорению выделения газа из жидкости. Ве-
Величина Ср' сохраняет при этом значе-
значение, соответствующее докавитацион-
ным условиям. Лишь при очень высо-
высоких уровнях интенсивности звука
может реализоваться такой режим
колебании кавптационных пузырьков,
при котором дальнейший рост интен-
интенсивности вызывает уменьшение скоро-
скорости Д.
Современные представления о меха-
механизме УЗ-вой Д. связаны с предполо-
предположением о наличии в жидкости зароды-
зародышей в виде стабильных пузырьков га-
газа, обладающих особыми свойствами,
обеспечивающими им возможность
длительного существования даже при
высоких статич. давлениях. В средах,
где присутствуют твёрдые несмачи-
ваемые примеси (напр., в жидких ме-
металлах), газовая фаза содержится
также в микроскопич. неровностях их
поверхностей. При интенсивности зву-
звука, превосходящей порог кавитации,
ДЕГАЗАЦИЯ
101
могут формироваться новые «осколоч-
«осколочные» зародыши, возникающие при за-
захлопывании пузырьков, так что общее
число пузырьков-зародышей резко воз-
возрастает. На первой стадии Д. пузырь-
пузырьки газа колеблются в акустич. поле
и увеличивают свои размеры вследст-
вследствие диффузии в них растворённого га-
газа. Наибольший диффузионный поток
присущ тем пузырькам, собственная
частота колебаний к-рых совпадает
,2
8
\
•**
ч
Ч
s
ч
¦v
*^
К,
г
-
8 18
8 И
8 14
I 10
I 23456789
Время обработки, мин
0 12 3 4
Время обработки,
Рис. 1. Кинетика ультразвуковой дегаза-
дегазации расплава технического алюминия
(а), серого чугуна (б) в зависимости от
интенсивности ультразвукового поля:
1 — интенсивность ниже порога кавита-
кавитации; г — порог кавитации; 3, 4 и 5 — ин-
интенсивность существенно выше порога
кавитации.
с частотой звука, поэтому в зависи-
зависимости от выбора частоты и от характе-
характера распределения пузырьков по раз-
размерам в процессе «перекачки» в пу-
пузырьки растворённого в жидкости га-
газа участвует большее или меньшее
их число. Т. о., на этой стадии Д. дей-
действует механизм «односторонней», или
«направленной», диффузии, обуслов-
обусловленный колебаниями пузырька. Аку-
Акустич. микропотоки ускоряют такой
массообмен. При кавитации этот про-
процесс ограничивает рост числа пузырь-
пузырьков, тормозя их захлопывание и умень-
уменьшая этим формирование новых «оско-
«осколочных» пузырьков. Так, при кавита-
кавитации в расплавленном алюминии за
2,5 периода звуковой волны направ-
направленная диффузия водорода повышает
давление газа в пузырьке более чем
на четыре порядка. Наряду с диффу-
диффузией увеличение размеров пузырьков
может быть обусловлено коалесцен-
цией, т. е. слиянием пар или групп
пузырьков под действием сил акусто-
гидродинамич. происхождения, т. н.
сил Бьеркнеса (см. Пондеромоторные
силы в звуковом поле). На второй
стадии УЗ-вой Д. пузырьки газа, до-
достигнувшие определённого размера,
поднимаются к поверхности жидкости
и выделяются, чему способствует в ря-
ряде случаев увлечение пузырьков аку-
акустическими течениями и возрастание
подъёмной силы за счёт давления зву-
звукового излучения.
Эффект УЗ-вой Д. находит приме-
применение в промышленной практике при
Д. расплавов металлов и стекла, раст-
растворов смол, вискозы, масел и т. п.
Наибольшая эффективность Д. в этих
средах наблюдается в УЗ-вых но-
нолях высокой интенсивности с актив-
активным протеканием акустич. кавитации
(рис. 1). Кроме того, УЗ-вая Д. яв-
является одной из причин ускорения
электрохимия, процессов в акустич.
поле. Д. расплавленного металла
сопровождается, как правило, его
рафинированием, т. е. освобожде-
освобождением от неметаллич. твёрдых вклю-
*""' чений, к-рые флотируются газовы-
газовыми пузырьками. Так, при Д. серого чу-
чугуна (рис. 1,6) на 25% уменьшается со-
содержание в нём окислов Al, Si, Fe, Mn
и др. Эффективность Д. расплава мож-
можно повысить сочетанием её с вакууми-
рованием или продувкой через рас-
расплав инертных газов. Применение
УЗ-вой Д. при литье алюминиевых
сплавов снижает более чем в два ра-
раза концентрацию в них водорода,
что уменьшает вероятность появления
в готовых изделиях дефектов типа
пористости, расслоений, несплошно-
несплошности в сварных швах и т. д. (см. табл.).
Сравнение промышленных
способов дегазации сплава
Способ
дегазации
Исходный расплав
(без дегазации)
Ультразвуковая де-
дегазация
Вакуумная дегаза-
дегазация
Продувка аргоном
Обработка универ-
универсальным флюсом
Содер-
Содержание
н2,
см'/ЮО г
0,35
0, 17
0,21
0,26
0,26
Балл
пори-
пористости
отли-
отливок
3-4
1-2
1-2
2-3
3-4
Плот-
Плотность
отли-
отливок,
г/см3
2,66
2,71
2,68
2,66
2,67
Повышение чистоты металла при Д.
увеличивает пластичность отливок.
Кавитационное воздействие на расплав
при ультразвуковой дегазации сопро-
сопровождается также изменением структу-
структуры металла (см. Кристаллизация ульт-
ультразвуковая).
102
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
Для УЗ-вой Д. разработано специ-
специальное оборудование (рис. 2). При Д.
расплавов используются обычно мощ-
мощные магнитострикционные преобра-
преобразователи с частотой 18 кГц, питаемые
от ламповых или тиристорных гене-
генераторов. Введение акустич. энергии
в расплав алюминия и его сплавов
осуществляется контактным методом
Рис. 2. Принципиальные схемы ультразву-
ультразвуковой дегазации расплавов алюминия и его
сплавов в стационарном объёме тигельной
печи (а) и в потоке при непрерывном литье
(б): 1 — кристаллизатор; 2 — слиток; 3 —
волноводы — излучатели ультразвука; 4 —
преобразователи (блок преобразователей);
5 — литейный жёлоб; 6 — миксер (печь);
7 — генератор ультразвука.
посредством волноводов-излучателен
из тугоплавких и кавитационностой-
ких материалов. Производительность
УЗ-вой Д. расплава в стационарном
объёме (рис. 2,а) составляет 10—
20 кг/мин при акустич. мощности
дегазаторов 3—8 кВт. Производитель-
Производительность УЗ-вой Д. в потоке (рис. 2,6)
зависит от производительности само-
самого процесса непрерывного литья и со-
составляет 20—100 кг/мин при акустич.
мощности 6 —12 кВт.
Лит.: Капустина О. А., в кн.: Фи-
Физические основы ультразвуковой техноло-
технологии, М., 1970, с. 253—336; Э с к и н Г. И.,
Ультразвуковая обработка расплавленного
алюминия, М., 1965; его же, Ультразвук
шагнул в металлургию, М., 1975.
О. Л. Капустина, Г. И. Эскин
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ. При
воздействии УЗ на биологич. объекты
частицы среды совершают интенсивные
колебательные движения с большими
ускорениями; при этом на расстоя-
расстояниях, равных половине длины звуко-
звуковой волны, в облучаемой среде могут
возникать разности давлений от не-
нескольких единиц до десятков атмосфер.
Столь интенсивные воздействия на
структуру биологич. объектов при-
приводят к различным биологич. эффек-
эффектам, физич. природа к-рых связана
с действием сопутствующих распрост-
распространению УЗ в среде факторов: механи-
механического, теплового, а также физико-
химического.
В зависимости от интенсивности УЗ
и длительности облучения УЗ оказы-
оказывает различное механич. воздействие
на биологич. объекты. Так, при малых
интенсивностях (до 2—3 Вт/см2 на
частотах порядка 105—10е Гц) коле-
колебания частиц биологич. среды про-
производят своеобразный микромассаж
тканевых элементов, способствующий
лучшему обмену веществ. Для орга-
организма человека и животных такое
воздействие улучшает снабжение тка-
тканей кровью и лимфой. Повышение
интенсивности УЗ может привести
к возникновению в биологич. средах
кавитации, а следовательно, и к ме-
механич. разрушению клеток и тканей;
кавитационными зародышами при этом
служат всегда имеющиеся в биологич.
объектах газовые пузырьки.
При распространении УЗ в биоло-
биологич. средах происходит его поглоще-
поглощение и преобразование акустич. энер-
энергии в тепловую. Характерно, что обра-
образование тепла происходит не равно-
равномерно по всей толще тканей, а прояв-
проявляется наиболее заметно на границах
сред с различными волновыми сопро-
сопротивлениями. Локальный нагрев тка-
тканей на доли или единицы градусов,
как правило, способствует жизнедея-
жизнедеятельности биологич. объектов, т. к.
процессам обмена веществ свойствен-
па сильная температурная зависимость.
Однако значительное повышение ин-
интенсивности УЗ и увеличение дли-
длительности его воздействия могут при-
привести к чрезмерному нагреву биоло-
биологич. структур и к их разрушению.
Поэтому тепло, наряду с кавитацией,
используют в качестве основных дей-
действующих факторов в ряде УЗ-вых
хирургич. операций (см. Хирургия
ультразвуковая).
Причиной изменений, возникающих
в биологич. объектах под действи-
действием УЗ, могут быть также вторичные
эффекты физико-химич. характера (см.
Химическое действие ультразвука).
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
103
Так, благодаря образованию акустич.
потоков происходит энергичное пере-
перемешивание внутриклеточных микро-
скопич. структур. Кавитация в среде
приводит к разрыву молекулярных
связей. Напр., молекулы воды рас-
распадаются на свободные радикалы ОН
и Н, что является первопричиной
окисляющего действия УЗ. Подобным
же образом происходит расщепление
под действием УЗ высокомолекуляр-
высокомолекулярных соединении в биологич, объектах,
напр, крахмала, нуклеиновых кислот,
белковых веществ. Имеются данные,
что УЗ вызывает изменение рН в био-
биологич. тканях в щелочную или кислую
сторону в зависимости от его интен-
интенсивности и продолжительности воздей-
воздействия. Изменение рН воспалённых
тканой в щелочную сторону вызывает
резкое уменьшение воспалительных
явлений и боли. УЗ может повышать
проницаемость клеточных оболочек и
ускорять процессы обмена веществ
путём диффузии, что играет большую
роль при его терапевтич. применении
(см. Терапия ультразвуковая).
Возможности применения УЗ для
воздействия на разнообразные биоло-
биологич. объекты — от простейших микро-
микроорганизмов и растительных клеток
до сложных организмов — велики и
многосторонни. Эффекты, достигаемые
в результате облучения УЗ биологич.
объектов, обычно обусловлены сов-
совместным действием различных факто-
факторов и не всегда ясно, какой из них
играет первостепенную роль. Извест-
Известно, что применение малых интенсив-
ностей (до 2 Вт/см2) обычно вызывает
положительные биологич. эффекты.
Так, в частности, при облучении УЗ
семян ускоряется их прорастание и
последующий рост растений. Приме-
Применение сравнительно больших интен-
сивностей C—10 Вт/см2) и длитель-
длительное облучение, как правило, вызывают
необратимые повреждения клеток и
тканей, т. о. приводят к' отрицатель-
отрицательным биологич. эффектам: способность
семян к прорастанию надает и умень-
уменьшается скорость роста растений.
При превышении определённой по-
пороговой интенсивности УЗ, соответст-
соответствующей возникновению в среде кави-
кавитации, происходит разрушение раз-
различных бактерий и вирусов; при этом
имеет место прямая пропорциональ-
пропорциональность между интенсивностью УЗ и
разрушающим эффектом. Именно та-
таким образом с помощью УЗ разрушают
тифозные и туберкулёзные палочки,
возбудитель коклюша, вирусы полио-
полиомиелита, энцефалита и бешенства, бак-
бактерии таких видов, как стафилококки,
стрептококки и т. д. Ниже указанно-
указанного порога не только не наступает раз-
разрушение жизнеспособных микроорга-
микроорганизмов, но при определённых усло-
условиях происходит увеличение их числа.
УЗ может использоваться для раз-
разрушающего воздействия на яйца, ли-
личинки и куколки нек-рых насекомых,
в частности комаров. При этом раз-
разрушающий эффект зависит не только
от интенсивности и длительности облу-
облучения, но и от стадии развития насе-
насекомого: чем ниже стадия развития,
тем больше сказывается разрушаю-
разрушающий эффект. Установлено, что облу-
облучение малых живых организмов (рыб,
лягушек) УЗ даже небольшой интен-
интенсивности (около 2 Вт/см2) приводит
к параличу и последующей гибели
животных. Причина этих явлений,
по-видимому, состоит в том, что до-
достаточно длительное УЗ-воо воздейст-
воздействие вызывает необратимые морфоло-
гич. изменения в нервной системе
животных.
Возможность вызывать с помощью
УЗ разнообразные полезные биологич.
эффекты в тканях организма человека
широко используется в УЗ-вой тера-
терапии и хирургии, без к-рых немыслима
совр. медицина. Достигнуты успехи
и при попытках использования УЗ
в экспериментальной онкологии. В ре-
результате воздействия УЗ определён-
определённой интенсивности и длительности на
опухоли (саркомы, карциномы), ис-
искусственно привитые подопытным жи-
животным, рост опухолей существенно
тормозился. Воздействие УЗ на
нек-рые опухоли человека также при-
приводит к гибели, но крайней мере,
части облучённых клеток. Однако
облучение раковых опухолей человека
пока ещё не дало чётко наблюдаемого
положительного эффекта.
УЗ широко применяется в биологич.
и медицинской лабораторной прак-
практике, а также в фармакологии и фар-
фармации с целью диспергирования раз-
различных биологич. структур, для отно-
относительно тонких воздействий на струк-
ТУРУ клеток, для создания изменений
в химизме крови, при стерилизации
лекарственных веществ, для изготов-
изготовления аэрозолей и т. д.
104
ДЕЛЬТА -Е-ЭФФЕКТ
Лит.: Байер В., Д ёрнер Э., Ульт-
Ультразвук в биологии и медицине, пер. с нем.,
Л., 1958; Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957; Матаушек И., Ульт-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962;
Сперанский А. П., Р о к и т я н-
ский В. И., Ультразвук и его лечебное
применение, М., 1970; Э л ь п и н е р И. Е.,
Ультразвук. Физико-химическое и биоло-
биологическое действие, М., 1963; его же, Био-
Биофизика ультразвука, М., 1973; Богда-
Богданович Л. И., Лечение кожных болезней
ультразвуком, Минск, 1959; Б а л и ц-
к и й К. П. и др., Ультразвук в терапии
злокачественных опухолей, К., 1977.
Л. Р. Гаврилов.
ДЕЛЬТА Е-ЭФФЕКТ (ДЛ-эф-
ф е к т) — изменение модуля упруго-
упругости ферромагнитных веществ при из-
изменении их магнитного состояния,
в частности при помещении их в маг-
магнитное поле. В общем случае вели-
величина, характеризующая Д. Е-э. в
анизотропных кристаллит, вещест-
веществах, является тензором 5-го ранга
(поскольку модуль упругости явля-
является тензором 4-го ранга) и зависит
от взаимной ориентации главных
осей тензора деформации, кристал-
лографич. осей и вектора намагничен-
намагниченности. Наибольший практич. интерес
представляет одна из компонент Д.
Е-э. в изотропных поликристаллич.
материалах, соответствующая растя-
растяжению или сжатию относительно
тонких образцов (стержней, колец),
намагниченных вдоль оси деформа-
деформации. Поэтому обычно под Д. Е-э.
в узком смысле слова понимают из-
изменение модуля Юнга Е при намаг-
намагничивании образцов вдоль оси растя-
растяжения ¦— сжатия. Аналогичное изме-
изменение модуля сдвига G наз. обычно
AG-эффектом. Увеличение и последую-
последующее уменьшение внешнего постоянного
магнитного поля Но вызывают Д. Е-э.
различной величины, т. е. имеет место
гистерезис Д. Е-э.
Главная физич. причина возникно-
возникновения Д. Е-э. в сильно магнитных ве-
веществах вдали от Кюри точки состоит
в том, что под воздействием механич.
напряжений изменяется их доменная
структура. Это приводит к появле-
появлению добавочной деформации, связан-
связанной с магнитострикцией, помимо
основной — упругой, а следователь-
следовательно, к отклонениям от закона Гука,
к изменениям модуля упругости и к за-
зависимости его от магнитного поля.
С увеличением Но модуль упруго-
упругости возрастает от значения Ео, соот-
соответствующего полностью размагни-
размагниченному состоянию, до значения Es,
соответствующего магнитному насы-
насыщению. В размагниченном состоянии
упругая деформация вызывает пере-
переориентацию магнитных моментов до-
доменов и, следовательно, добавочную
деформацию магнитострикционной
природы, что снижает модуль упру-
упругости. В состоянии насыщения маг-
магнитные моменты доменов закреплены
внешним сильным полем и не дают
вклад в деформацию.
Величину Д. Е-э. различных мате-
материалов часто оценивают как (?, —
— Ео)/Ео. Он велик в материалах
с высокой магнитострикцией, малой
магнитокристаллографич. анизотро-
анизотропией и малыми внутренними напряже-
напряжениями (у отожжённого Ni и магнмто-
стрикционных ферритов он достигает
20%). Д. Е-э. проявляется и в изме-
изменениях динамич. модуля Юнга ?ДИ]1,
определяющего связь между амплиту-
амплитудами напряжений и деформаций при
механич. колебаниях; в последнем
случае он приводит к различию меж-
между значениями ЕЯИЯ (колебания про-
происходят в режиме постоянной индук-
индукции fi=const, т. е. в режиме короткого
замыкания по переменному току
в обмотке ферромагнитного сердечни-
н
ка) и .Един (колебания в режиме
постоянного поля Н = const, т. е. в ре-
режиме холостого хода по перемен-
переменному току). При этом
где К — коэфф. магнитомеханич. свя-
связи (см. Коэффициент электромехани-
электромеханической связи). Другим результатом
динамич. Д. Е-э. является зависимость
от ff0 скорости звука с и, следова-
следовательно, резонансных частот /р маг-
нитострикционных преобразователей.
Обычно /р возрастает с увеличением
постоянного поля, что можно исполь-
использовать для перестройки /р магнитным
полем, а также в нек-рых случаях
для измерения Но (по изменению /р).
В области малых На Д. Е-э. может
давать уменьшение Елап с ростом Но.
Этот «отрицательный» Д. Е-э. особен-
особенно сильно выражен у материалов
с большим К.
Сильное постоянное магнитное поле
Но, подавляя малые периодич. изме-
изменения намагниченности, одновремен-
одновременно увеличивает механич. добротность
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
105
Смех (в материалах с большим К —
в 50 раз и более). Формально — это ре-
результат Д. Е-э., если рассматривать
?Д1Ш как величину комплексную, т. е.
Я дин = \Е\ (! + //Смех)- Зависимость
Смех от Но используется для управ-
управления характеристиками магнитост-
рикционных преобразователей, напр,
в электромеханических фильтрах
(т. н. магнитомеханич. демпфирование).
Вследствие Д. Е-э. возникает механич.
нелинейность в ферро- и ферримагне-
тпках: зависимость ?дин от амплитуды
переменного упругого напряжения
стт (т.н. дефект модуля Юнга) и умень-
уменьшение Смех с РОСТОМ СТ?П.
В сегнетоэлектриках также наблю-
наблюдается Д. Е-э. — зависимость харак-
характеристик упругости от электрич. со-
состояния и, в частности, изменение
модуля Юнга под действием сильного
электрич. поля. Проявления Д. Е-э.
в сегнетоэлектриках и в сильно маг-
магнитных веществах внешне подобны
друг другу.
Лит..- Вопсовский СВ., Шур Я. С,
Ферромагнетизм, М., 1948; В о н с о в-
ский СВ., Магнетизм, М., 1971; Бе-
Белов К. П., Упругие тепловые и электри-
электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд.,
М., 1957; Бозорт Р., Ферромагне-
Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Г о л я м и-
н а И. П., Ч у л к о п а В. К., «Акуст. ж.»,
1966, т. 12, NS 4, с. 428 — 34. Л. Н. Сыркин.
ДЕФЕКТОСКОП ультразву-
ультразвуковой— устройство для неразру-
шающего контроля различных изде-
изделий из металлич. и неметаллич. мате-
материалов с целью обнаружения в них
внутренних и поверхностных дефек-
дефектов с помощью УЗ. Работа Д. основа-
основана на частичном отражении и рассея-
рассеянии УЗ-вых волн нарушениями сплош-
сплошности (трещины, раковины) или одно-
однородности строения (зоны разнозерни-
стости в металле) материала контроли-
контролируемого изделия. Д. посылает в конт-
контролируемое изделие УЗ-вые волны
(непрерывно или в виде коротких
импульсов) частотой от 0,5 до 25 МГц
н регистрирует параметры волн, про-
прошедших через изделие или отражён-
отражённых от поверхностей, на к-рых аку-
стич. характеристики материала испы-
испытывают изменения.
Д. различных систем широко при-
применяются в народном хозяйстве в виде
переносных приборов, стационарных
устройств и автоматизированных уста-
установок, снабжённых индикаторными,
самопишущими и счётно-решающими
блоками, выдающими информацию о
качестве проконтролированного изде-
изделия. О принципе работы Д. различных
видов см. Дефектоскопия.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ультра-
ультразвуковая — комплекс методов
неразрушающего контроля, основан-
основанных на применении упругих волн ши-
широкого частотного (гл. обр. УЗ-вого)
диапазона. В УЗ-вой Д. используют
упругие волны различного вида: про-
продольные, сдвиговые (поперечные), по-
поверхностные волны, изгибные и кру-
крутильные, излучаемые в непрерывном
или импульсном режиме. Вводиться
эти волны в контролируемое изделие
могут: сухим контактным, контакт-
контактным со смазкой, струйным (щелевым)
или иммерсионным способами с помо-
помощью пьезоэлектрического искателя
(пьезоэлектрического преобразователя)
или же бесконтактным способом через
воздушный зазор — с помощью элек-
тромагнитоакустич. искателя (послед-
(последний основан на взаимодействии пере-
переменного магнитного поля с наводи-
наводимыми в поверхностном слое изделия
токами Фуко).
Нарушения сплошности (трещины,
расслоения, раковины и др.) или одно-
однородности (крупное зерно, дисперсные
выделения фаз на границах зерен или
внутри зерна) материала контроли-
контролируемого изделия приводят к скачко-
скачкообразному или плавному изменению
его акустич. характеристик (скорости
распространения УЗ с, коэффициента
затухания б, волнового сопротивле-
сопротивления рс) и влияют на условия рас-
распространения УЗ-вых волн. Если по-
поперечный размер d дефекта превышает
длину УЗ-вой волны X, то используе-
используемая для контроля волна по законам
геометрической акустики практиче-
практически полностью отражается, что при-
приводит к образованию зоны звуковой
тени за дефектом. В зонах, характе-
характеризующихся неоднородной структу-
структурой, увеличивается затухание УЗ и
повышается уровень структурных шу-
шумов, обусловленных рассеянием на
неоднородностях.
В процессе контроля анализируется
амплитуда волн (прошедших через
изделие или отражённых от поверхно-
поверхностей дефектов или зон неоднородности),
их фаза, частота, скорость распростра-
распространения и др. параметры (напр., вход-
входной импеданс колебательной системы,
к-рой является контролируемое изде-
изделие).
106
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Благодаря большому числу перемен-
переменных параметров, к-рые могут быть
использованы в различных сочетани-
сочетаниях, УЗ-вая Д. является одним из наи-
наиболее универсальных методов нераз-
рушающего контроля, используемых
для контроля качества заготовок, по-
полуфабрикатов и изделий металлур-
гич., машиностроительной, химич. и
др. отраслей промышленности, а так-
также на транспорте.
Можно выделить семь основных ме-
методов ультразвуковой Д., причём в
нек-рых случаях они могут быть при-
применены в различных вариантах и ком-
комбинациях.
Эхо-метод основан на посылке в
контролируемое изделие коротких
(длительностью около десяти перио-
периодов) импульсов акустических и регист-
регистрации интенсивности и времени приё-
приёма эхо-сигналов (см. Эхо), отражён-
отражённых от поверхностей изделия и от раз-
различного рода дефектов. Этот универ-
универсальный метод решает наибольшее
число задач. Работа эхо-дефектоскопа
{рис. 1) представляет собой УЗ-вую
Рис. 1. Блок-схема простейшего эхо-де-
фектоскопа: 1 — хронизатор; г — генера-
генератор импульсов; 3 — генератор развёртки;
4 — искатель; 5 — приёмный тракт; 6 —
индикатор (электроннолучевая трубка —
ЭЛТ); 7 — контролируемое изделие; о —
поверхность ввода ультразвука; б — дон-
донная поверхность; Д — дефект; И — изоб-
изображение на экране ЭЛТ; Я — начальный
(зондирующий) сигнал; Дон — донный
эхо-сигнал; Деф — эхо-сигнал от дефекта.
локацию в твёрдой среде. Генератор 2
создаёт электрич. импульсы с частотой
следования FCJl, задаваемой хрони-
затором 1, и возбуждает пъезоэлемент
искателя 4. Излучаемые искателем
УЗ-вые волны вводятся через поверх-
поверхность а в контролируемое изделие 7
и распространяются в нём в виде рас-
расходящегося пучка лучей. Отражаясь
от противоположной (донной) поверх-
поверхности б и возвращаясь к искателю,
они преобразуются в импульсы элек-
электрич. напряжения, к-рые после про-
прохождения через приёмный тракт 5
наблюдаются на экране 6 индикатора
(электроннолучевая трубка — ЭЛТ)
в виде сигнала Дон. Используемая
в схеме прибора развёртка 3 (также
управляемая хронизатором 1) даёт
изображение И сигналов в координа-
координатах амплитуда — время (развёртка
типа А), поэтому расстояние между
начальным сигналом Н и донным Дон
пропорционально толщине изделия
в контролируемом сечении. Попадая
на дефект, лучи частично отражаются
от него, и на экране ЭЛТ появляется
эхо-сигнал от дефекта — Деф на рас-
расстоянии от начального сигнала Н,
пропорциональном глубине залега-
залегания дефекта. Контроль производится
путём сканирования искателем по-
поверхности контролируемого изделия.
Скорость и шаг сканирования для
обеспечения надёжности контроля вы-
выбираются с учётом размера сечения
УЗ-вого пучка, времени, необходи-
необходимого на прохождение импульса до
донной поверхности изделия и обрат-
обратно, а также минимального числа при-
принимаемых эхо-сигналов, обеспечи-
обеспечивающих срабатывание сигнализатора
дефектов.
Пьезоэлемент искателя в режиме
излучения преобразует электрич. ко-
колебания, вырабатываемые генерато-
генератором импульсов эхо-дефектоскопа,
в УЗ-вые, а в режиме приели —
УЗ-вые колебания в электрические.
Конструкции искателей предусматри-
предусматривают возможность ввода пучков УЗ-
вых лучей по нормали или под различ-
различными углами к поверхности изделия.
В последнем случае в результате
преломления звука и трансформации
УЗ-вых колебаний в изделии можно
возбуждать волны различных типов
и обнаруживать поверхностные и глу-
глубинные дефекты.
Искатель может быть совмещённым
(нормальным или наклонным), т. е.
содержать один пьеаоэлемент, к-рый
в течение каждого цикла работы при-
прибора поочерёдно выполняет функции
то излучателя ультразвука, то приём-
приёмника, или раздельным, состоящим из
двух головок, содержащих либо излу-
излучающий, либо приёмный пьезоэле-
пьезоэлемент, или же раздельно-совмещён-
раздельно-совмещённым, содержащим два пьезоэлемента,
но конструктивно выполненным в ви-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
107
де одной головки. Нормальный совме-
совмещённый искатель (рис. 2,а) наиболее
универсален и удобен, однако при ра-
работе с ним в наибольшей степени про-
проявляется принципиальный и весь-
весьма существенный недостаток эхо-мето-
Рис. 2. Схемы искателей: а — нор-
нормальный совмещённый для работы
продольными волнами; б — совмещён-
совмещённый преломляющий для работы сдви-
сдвиговыми волнами; в — раздельно-сов-
раздельно-совмещённый с малой мёртвой зоной для
работы продольными волнами; 1 —
пьезоэлемент; г — демпфер; В —
изолирующая втулка; 4 — корпус;
5 — центральный контактный вывод;
6' — протектор; 7 — преломляющая
призма; 8,9 — акустический и элек-
электрический экраны; а — угол паде-
падения; (S — угол преломления; Д —
дефект.
да — наличие неконтролируемой, т. н.
мёртвой зоны. Её протяжённость 10
определяется в основном длительно-
длительностью ти излучаемого импульса, дли-
длительностью тп переходных процессов
(время «оглушения» приёмного тракта
зондирующим импульсом) и скоростью
звука с в материале контролируемого
изделия: 10 = '/2с(тн + тг[). В боль-
большинстве случаев 10 = 6—8 мм, но
иногда доходит до 15 — 20 мм. В преде-
пределах мёртвой зоны обнаружение дефек-
дефектов невозможно, что осложняет конт-
контроль изделий, но имеющих достаточ-
достаточных припусков на обработку. В целях
сокращения мёртвой зоны доброт-
добротность Q искателя искусственно пони-
понижается, для чего тыльная сторона
пьезоэлемента (изготовленного обыч-
обычно из пъезокерамики) жёстко соединя-
соединяется с демпфером из материала, обла-
обладающего волновым сопротивлением
рс, близким к волновому сопротивле-
сопротивлению материала пьезоэлемента, и, кро-
кроме того, высоким значением 6. Однако
при понижении Q падает чувствитель-
чувствительность искателя, поэтому демпфирова-
демпфирование следует доводить до нек-рого оп-
оптимума, определяющегося условиями
контроля.
В наклонном совмещённом искате-
искателе (рис. 2,6) имеется преломляющая
призма 7, изготавливаемая из материа-
материала (обычно органич. стекло), в к-ром
скорость распространения продоль-
продольных УЗ-вых волн ci намного меньше,
чем в материале контролируемого из-
изделия (в органич. стекле е;=&2550 м/с,
в металлах с\ ?&6000 м/с). Это даёт
возможность, направляя продоль-
продольные волны L пьезоэлемента под углом
падения а, превышающим нек-рое
критич. значение (обычно 26—30°),
обеспечить полное внутреннее отраже-
отражение продольных волн (см. Отражение
звука) и, используя трансформацию
колебаний, ввести в изделие одни лишь
сдвиговые волны S, распространяю-
распространяющиеся под углом преломления р.
Если угол падения продольных волн
увеличить до значения, превышающе-
превышающего второй критический угол (около
60°), то наблюдается полное внутрен-
внутреннее отражение также и сдвиговых
волн, и по свободной поверхности из-
изделия распространяются поверхност-
поверхностные волны.
Эти особенности преломляющего
искателя существенно расширяют воз-
возможности контроля и широко исполь-
используются, например, при контроле
сварных соединений, а также изделий
сложной формы. Призма 7 выполняет
также роль гасителя отражённых от
контактной поверхности УЗ-вых волн
(продольных и сдвиговых).
Раздельно-совмещённый искатель
(рис. 2,в) менее универсален, но обла-
обладает малой мёртвой зоной, к-рая в этом
случае определяется пространствен-
пространственной ориентацией осей характеристик
направленности пьезоэлементов. При-
Приклеивают пьезоэлементы к преломляю-
преломляющим призмам из органич. стекла под
углом а, значительно меньшим первого
критического (около 5—6°). Поэтому
в изделие вводятся продольные УЗ-вые
волны L под значительным углом
преломления р, что позволяет полу-
получить отражение от дефекта, зале-
залегающего на малой глубине A0 снижа-
снижается до 0,5—1,0 мм). Однако при этом
из-за значительного преломления глу-
глубина залегания обнаруживаемых де-
дефектов ограничивается (т. е. она не
должна превышать 150—200 мм).
108
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
В нек-рых случаях, напр, при конт-
контроле изделий небольшой толщины,
ограниченных параллельными пло-
плоскостями и изготовленных из мате-
материалов с невысокими значениями S,
можно снизить мёртвую зону до 2—
3 мм, используя зеркальный эхо-ме-
эхо-метод, в к-ром приёмное устройство ре-
регистрирует эхо-сигнал, отражённый
не от обращенной к искателю поверх-
поверхности дефекта, имеющего небольшие
поперечные размеры, а от противопо-
противоположной (задней). Эхо-сигнал образу-
образуется в результате отражения первого
донного сигнала от задней поверхности
дефекта. Поскольку эхо-сигнал совер-
совершает двойной путь, то на экране инди-
индикатора он виден перед вторым донным
сигналом в отличие от сигнала, полу-
полученного в основном варианте эхо-ме-
эхо-метода, где эхо-сигналы наблюдаются
в промежутке между начальным (зон-
(зондирующим) импульсом и первым дон-
донным сигналом (рис. 3).
Чувствительность эхо-
метода оценивается эквивалентными
размерами дефектов, уверенно обна-
обнаруживаемых на заданной глубине,
т. е. площадью искусственных отра-
отражателей, ориентированных перпен-
перпендикулярно лучу и расположенных
А
А'
•ж
1
вд
Рис. 3. а — схема обнаружения дефекта
зеркальным эхо-методом: Я — искатель;
Деф — дефект в изделии; А—А' — луч,
образующий донный эхо-сигнал; ВВГДЕ —
путь луча, образующего эхо-сигнал от
дефекта; б — изображение на экране
ЭЛТ: Я — начальный сигнал; (Деф) —
временнбе положение эхо-сигнала от де-
дефекта при эхо-методе; Дон I и Док II —
1-й и 2-й донные эхо-сигналы; Деф —
эхо-сигнал от дефекта.
в специально изготовленных контроль-
контрольных образцах на заданном расстоянии
от места ввода луча. Показатель чувст-
чувствительности К зависит от частоты / УЗ,
толщины изделия в данном сечении
и акустич. характеристик материала
контролируемого изделия (коэфф. за-
затухания б и уровня структурных
шумов). Величина К возрастает с по-
повышением /, поскольку при уменьше-
уменьшении отношения k/d увеличивается до-
доля отражённой от поверхности дефек-
дефекта энергии звуковой волны и повыша-
повышается направленность излучения и
приёма. Однако наряду с этим при
увеличении / возрастает 6 и уровень
структурных шумов, что приводит
Рис. 4. Зависи-
Зависимость показате-
показателя чувствитель-
чувствительности К от ча-
частоты / ультра-
ультразвука: В — тол-
толщина изделия;
Bl<B2<Bz;
6,<62<63.
к понижению К. В результате одно-
одновременного влияния перечисленных
факторов К в функции / изображается
кривой с максимумом (рис. 4), т. е.
наивысшая чувствительность соответ-
соответствует определённой частоте. По мере
возрастания б и толщины изделия мак-
максимумы смещаются в сторону низких
частот и абсолютное значение их
уменьшается, т. е. чувствительность
падает.
Наивысшая чувствительность мо-
может быть достигнута при контроле
изделий из деформированных сплавов
на основе алюминия, магния и ти-
титана. Для этих сплавов при / =
= 2,5 МГц и б = 0,001 — 0,06 Нп/см
уровень структурных шумов, харак-
характеризуемый отношением амплитуды
огибающей шумовых помех вблизи
донной грани к амплитуде донного
эхо-сигнала, невысок (=&0,001). Это
позволяет в частотном диапазоне 0,5—
25,0 МГц, обеспечиваемом совре-
современной аппаратурой, выбрать режим,
при к-ром в условиях контроля изде-
изделий толщиной до 200—250 мм реализу-
реализуется теоретически предельная чувст-
чувствительность, т. е. обнаруживаются
дефекты с d я& 1/гХ, что для частоты
10,0 МГц соответствует контрольному
отражателю диаметром около 0,3 мм.
Конструкционные стали обладают
большим затуханием (б =ь 0,01—0,08
Нп/см) и несколько более высоким
уровнем шумов @,002—0,005). Поэто-
Поэтому при контроле изделий из них той
же толщины в оптимальном диапазоне
/ = 2,5—4,0 МГц величина К пример-
примерно на порядок ниже, что соответствует
контрольному отражателю диаметром
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
109
d =*= 1,0 мм. При контроле изделий из
сталей аустенитного класса и в осо-
особенности из жаропрочных сплавов
на никелевой основе показатель К
ещё ниже. Эти материалы характери-
характеризуются высоким уровнем структурных
шумов @,01—0,03) и большим зату-
затуханием. Так, в зависимости от струк-
структурного состояния металла (величина
зерна, состояние границ, тонкая вну-
тризёренная структура) величина б
может изменяться в широких преде-
пределах, примерно от 0,04 до 0,3 Нп/см.
Поэтому при контроле изделий из
этих материалов толщиной 100—
200 мм оптимальная частота понижа-
понижается до 2,5—1,0 МГц, а значение К
надает ещё на порядок и даже больше.
Для изделий толщиной около 100 мм,
если коэфф. 6 близок к нижнему пре-
пределу, К соответствует контрольному
отражателю с d =& 1,0—1,5 мм; при
больших значениях б величина К
ещё уменьшается (диаметр контрольно-
контрольного отражателя ?&2—3 мм), а при мак-
максимальных значениях б обнаружение
дефектов, залегающих на глубине
свыше 150—200 мм, вообще практи-
практически невозможно. Предел реальной
чувствительности может наступить и
при меньших толщинах, если высок
уровень структурных шумов, опреде-
определяющийся степенью упругой анизо-
анизотропии зорен твёрдого раствора спла-
сплава, степенью дисперсности и акустич,
характеристиками упрочняющих фаз.
В этих случаях нек-рое повышение К
может быть достигнуто использова-
использованием специально разработанных си-
систем подавления помех. Чувствитель-
Чувствительность при контроле литых изделий,
как правило, ниже, чем при контроле
деформированных изделий из тех же
материалов.
Контролю эхо-методом подвергаются
слитки, фасонное литьё, поковки,
штамповки, плиты, листы, проволока,
трубы, прутки, рельсы, а также свар-
сварные, клеёные, заклёпочные, паяные
соединения и др. При этом обнару-
обнаруживаются поверхностные (напр., уста-
усталостные трещины) и внутренние де-
дефекты (расслоения, шлаковые вклю-
включения и др.) в заготовках и изделиях
различной формы и габаритов из ме-
таллич. и неметаллич. материалов.
Могут быть обнаружены зоны наруше-
нарушения однородности кристаллич. струк-
структуры и зоны коррозионного пораже-
поражения металлич. изделий, а также изме-
измерена с высокой точностью —¦ до сотых
долей мм — толщина изделия, огра-
ограниченного плоскими параллельными
гладкими поверхностями, при одно-
одностороннем доступе.
Теневой метод уступает эхо-методу
в чувствительности и универсально-
универсальности и поэтому используется гл. обр.
для контроля изделий простой формы
и небольших сечений. УЗ-вые волны
вводятся с одной, а принимаются,
Рис. 5. Схема обнаружения дефектов те-
теневым (а, б, в) и зеркально-теневым (?)
методами: 1 — генератор; 2 — приёмный
тракт; 3 — индикатор; 4 — излучающий
искатель; 5 — приёмный искатель; в —
контролируемое изделие; Д — дефект.
как правило, с другой стороны.
О наличии дефекта судят либо по
уменьшению интенсивности звука
в зоне звуковой тени, куда УЗ-вые
волны проникают гл. обр. вследствие
дифракции волн (рис. 5, а, б, в), либо
по изменению фазы или времени при-
приёма волны, огибающей дефект и про-
прошедшей, следовательно, более длин-
длинный путь. Необходимость двусторон-
двустороннего доступа к изделию является
существенным ограничением приме-
применимости теневого метода. Однако если
вместо работы в непрерывном режиме
применять импульсы, то теневой метод
может быть осуществлён также и
в зеркальном варианте при односто-
одностороннем доступе к изделию (рис. 5, г).
В этом случае о наличии дефекта су-
судят по уменьшению амплитуды дон-
донного отражения — дефект вызывает об-
образование зоны звуковой тени со сто-
стороны искателя. Преимущество тенево-
теневого метода — отсутствие мёртвой зоны.
но
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Чувствительность К теневого ме-
метода, так же как и чувствительность
эхо-метода, возрастает с повышением
/ и падает с увеличением бис повыше-
повышением уровня структурных шумов;
при этом общий уровень К здесь
существенно ниже, чем в эхо-методе.
Поэтому теневой метод целесообразно
использовать для контроля изделий
небольшой толщины (до 20—30 мм),
а также в случаях, когда необходимо
проконтролировать всё изделие без
к.-л. мёртвых зон. При контроле из-
изделий, ограниченных параллельными
плоскими поверхностями (плиты, ли-
листы), максимальное значение К полу-
получается в зонах, прилегающих к этим
поверхностям.
Резонансный метод используется гл.
обр. для измерения (при односторон-
одностороннем доступе) толщины В изделий из
металлов, стекла, фарфора, керамики
и др. материалов с достаточно высокой
добротностью, а также для обнаруже-
обнаружения зон коррозионного поражения
(на недоступной поверхности), рас-
расслоений в тонких листах и биметал-
биметаллах и т. д.
В резонансном толщиной е-
ро-дефектоскопе (рис. 6)
пьезоэлектрич. преобразователь, воз-
возбуждаемый частотно-модулированным
генератором 1, излучает в изделие 7
УЗ-вые волны непрерывно меняющейся
частоты. В моменты резонанса, когда
по толщине измеряемого сечения укла-
Рис. 6. Блок-
схема резо-
резонансного де-
фектоскопа-
толщиноме-
ра: 1 — гене-
генератор частот-
но-модулиро-
но-модулированных коле-
колебаний; г —
генератор развёртки; з — фильтр; 4 —
усилитель; 5 — экран ЭЛТ; 6 — иска-
искатель; 7 — контролируемое изделие; 8 —
резонансные пики.
дывается целое число полуволн (что
соответствует совпадению частоты
внешней возмущающей силы с часто-
частотой собственных колебаний системы),
образуются стоячие волны. При этом
уменьшается входной импеданс конт-
контролируемого изделия, являющийся со-
сопротивлением нагрузки для преобра-
преобразователя (реактивная составляющая
его обращается в нуль), амплитуда
упругих колебаний в изделии резко
возрастает, изменяются силы токов
в цепях генератора, что отмечается
индикатором (ЭЛТ) 5 в виде резонанс-
резонансных пиков 8. Каждой точке на линии
развёртки соответствует определённая
частота генератора, поэтому шкала,
нанесённая на экран ЭЛТ, позволяет
отсчитать расстояние от начала раз-
развёртки до соответствующего пика и
может быть проградуирована в МГц
или в мм. Если примерная толщина
изделия известна и параметры гене-
генератора подобраны так, что отсчиты-
вается только один резонансный ник,
соответствующий основной частоте,
то В = Х/2 или В = с/2/. Однако если
примерная толщина изделия неиз-
неизвестна, то резонанс отмечается не толь-
только на основной частоте, но также и на
гармониках, поэтому отсчёт усложня-
усложняется и повышаются требования к де-
девиации частоты — она должна обе-
обеспечить перекрытие частотного диапа-
диапазона в пределах до двух-трёх октав.
Собственная частота пьезоэломента,
чтобы его резонанс но влиял иа пока-
показания прибора, должна быть выше
верхнего значения частоты генерато-
генератора. В этом случае
где /п и fn+m — частоты, соответст-
соответствующие двум произвольно взятым пи-
пикам, т — число промежутков между
этими пиками (разность номеров гармо-
гармоник). Чувствительность резонансного
толщиномера возрастает с увеличением
коэфф. стоячей волны и с повышением
добротности всех элементов устройст-
устройства, представляющих собой связан-
связанные колебательные системы,— кон-
контуров генератора и усилителя, пьезо-
пьезоэлектрич. преобразователя, промежу-
промежуточной контактной среды п, наконец,
самого контролируемого изделия. При
высокой добротности перечисленных
элементов коэфф. стоячей волны воз-
возрастает с уменьшением девиации ча-
частоты генератора. Это обстоятельство
привело к созданию двух типов про-
промышленных резонансных толщиноме-
толщиномеров. Толщиномеры первого типа — из-
измерительные — применяются для не-
непосредственного измерения В в отдель-
отдельных точках контролируемого изделия
в тех случаях, когда величина В не-
неизвестна. Девиация частоты в этих
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
111
приборах должна быть достаточной
для перекрытия широкого диапазона
толщин и должны быть предусмотре-
предусмотрены специальные отсчётные устройст-
устройства, позволяющие быстро определить
абсолютные значения В. Толщино-
Толщиномеры второго типа — контрольные —
встраиваются в технологич. поток
(напр., в производстве труб) для конт-
контроля выхода толщины стенки изделия
за пределы установленного допуска.
Толщина стенки при этом известна,
поэтому девиация частоты может быть
выбрана небольшой, что повышает
чувствительность и точность измере-
измерений. Производительность и надёж-
надёжность приборов второго типа выше,
чем первого, поскольку для ввода УЗ
в контролируемое изделие использу-
используется иммерсионный контакт, а погреш-
погрешность измерений составляет около
±1%. Дальнейшее снижение погреш-
погрешности возможно при использовании
импульсно-резонансного и импульсно-
иптерференционного вариантов мето-
метода. Производительность при этом мо-
может быть существенно повышена —
до 1000 замеров в секунду и более.
Импедансный метод основан на за-
зависимости полного механич. сопротив-
сопротивления (импеданса) контролируемого
изделия от качества соединения меж-
между собой отдельных его элементов.
В датчике импедансного дефектоскопа
(рис. 7) излучающий пьезоэлсмент 1,
возбуждающийся генератором на ча-
частоте 1,0—8,0 МГц, приклеен к боль-
большему основанию звукопроводящего
стержня 2, имеющего форму усечён-
усечённого конуса и выполненного из орга-
ннч. стекла. Стальной цилиндр 3,
приклеенный к тыльной поверхности
излучающего пьезоэломента, играет
роль отражающей массы и увеличивает
амплитуду колебаний стержня. К ма-
малому основанию стержня приклеен
динамометрич. пьезоэлемент 4, а к пе-
передней поверхности последнего — кон-
контактный наконечник 5 из лёгкого
сплава с укреплённым в его центре
«грибком» из износостойкого материа-
материала. Если датчик не прижат к поверх-
поверхности изделия, то напряжение на пье-
зоэлементе 4 равно нулю, поскольку
он колеблется вместе со стержнем не
деформируясь. Если же прижать дат-
датчик к изделию, то сила реакции по-
последнего деформирует пьезоэлемент,
к-рый подаёт напряжение, пропорцио-
пропорциональное этой силе, на измерительную
часть прибора и на индикатор. Коле-
Колебания датчика вводятся в изделие по-
посредством сухого контакта. Если об-
обшивка 6 в этом сечении (рис. 7, а)
жёстко соединена с подложкой 8, то
вся система колеблется как единое це-
целое, входной импеданс максимален, и
сила реакции изделия на стержень до-
достигает больших значений. Если же
стержень установить над дефектной
зоной (рис. 7,6), то не связанный с под-
Рис. 7. Схема
контроля качест-
качества склейки импе-
дансным методом:
1 — излучающий
пьезоэлемент; 2—
звукопроводящий
стержень; 3 — от-
отражающая масса;
4 — динамометри-
динамометрический пьезоэле-
пьезоэлемент; 5—контакт-
5—контактный наконечник;
6 — металлическая обшивка клеёной кон-
конструкции; 7 — клеевой слой; 8 — подлож-
подложка; Д — дефект.
ложкой участок обшивки будет коле-
колебаться, как зажатый по контуру диск,
независимо от всей конструкции. По-
скольку жёсткость обшивки меньше
жёсткости всей конструкции, импе-
импеданс, а следовательно, и сила реакции
на стержень резко уменьшаются. По
изменению амплитуды (или фазы)
силы реакции можно судить о нали-
наличии дефекта соединения. Чувствитель-
Чувствительность имледансного метода позволяет
обеспечить обнаружение дефектов со-
соединения диаметром около 5 —10 мм.
Импедансный метод эффективно ис-
используется для контроля клеёных и
паяных конструкций (в т. ч. и трёх-
трёхслойных) с металлич. и неметаллич.
обшивками и лёгкими заполнителями
между ними, а также для выявления
расслоений в слоистых пластиках, пла-
плакированных листах и трубах.
Метод свободных колебаний наи-
наиболее старый из всех акустич. мето-
методов контроля, им издавна пользуются,
напр., осмотрщики железнодорожных
составов для обнаружения трещин
в осях локомотивов и вагонов, ударяя
молоточком по оси и определяя на слух
(по «чистоте» звона) наличие в ней
трещины. Такой метод весьма чувстви-
чувствителен, однако его существенный недо-
недостаток — субъективность оценки ре-
результатов. Поэтому в современных
112
ДЕФЕКТОСКОПИЯ
приборах предусматривается соответ-
соответствующее устройство (рис. 8) для ана-
анализа частотного спектра колебаний,
состоящее из вибратора 1, ударник
к-рого возбуждается электромагни-
электромагнитом на частоте 50 Гц, и приёмника 2.
Пьезоэлемент приёмника преобразует
весь спектр упругих колебаний в элек-
электрические, к-рыо через фильтр 3,
пропускающий лишь колебания ча-
Рис. 8. Блок-
схема прибора
для контроля
качества
склейки мето-
методом свободных
колебаний: 1 — вибратор; 2 — приёмник;
3 — фильтр; 4 — усилитель; S — индика-
индикатор; 6 — контролируемое изделие.
стот, характерных для спектра де-
дефектного участка, проходят в усили-
усилитель 4 и попадают затем на электрон-
электронный вольтметр, измеряющий их амп-
амплитуды.
Метод свободных колебаний исполь-
используется для контроля качества склейки
материалов с высокими значениями б
(текстолит, асботекстолит, фанера и
др.) между собой или с металлич.
обшивкой, а также для обнаружения
нарушений сплошности внутри к.-л.
слоя из перечисленных выше неме-
таллич. материалов, т. е. в случаях,
когда иные методы контроля не могут
быть применены с должным эффектом.
В велосиметрическом методе ис-
используется зависимость скорости рас-
распространения ивгибных волн в пластине
от толщины этой пластины. Наличие
расслоения внутри к.-л. слоя много-
многослойной клеёной конструкции или на-
наличие зоны нарушения склейки меж-
между слоями может рассматриваться
как резкое уменьшение толщины изде-
изделия. В этом место скорость распрост-
распространения изгибной волны, возбуждён-
возбуждённой вибратором 1 (рис. 9), уменьша-
уменьшается, что отмечается приёмником 2
по изменению фазы волны в точке
приёма. Т. о., велосиметрич. метод
является по существу фазовым мето-
методом. Работа ведётся на частотах 20—
70 кГц, причём ввод колебаний осу-
осуществляется посредством сухого кон-
контакта. Излучатель и приёмник УЗ
могут располагаться на одной поверх-
поверхности изделия на расстоянии несколь-
нескольких см друг от друга. При этом чётко
регистрируются дефекты (расслоения)
площадью от 2 до 15 см2 в зависимости
от глубины их залегания (предельная
глубина залегания — 25 мм). Недоста-
Недостаток контроля при одностороннем до-
доступе — наличие мёртвой зоны, при-
прилегающей к поверхности, противопо-
противоположной поверхности ввода колеба-
колебаний, и составляющей 20—40% от
толщины изделия. В этой зоне дефекты
не могут быть обнаружены из-за ин-
интерференции прямой волны и волн,
отражённых от границ контролируе-
контролируемого изделия. Поэтому при наличии
двустороннего доступа к изделию це-
целесообразно применять раздельные из-
излучатель и приёмник продольных
волн, располагая их соосно по обе
стороны контролируемого изделия.
Волна, встречая расположенный на
своём пути дефект, огибает его и, про-
проходя при этом больший путь, приходит
к приёмнику колебаний с отставани-
отставанием по фазе по отношению к волне,
прошедшей через бездефектное сече-
сечение. Мёртвая зона в этом случае от-
отсутствует. По сравнению с методом
свободных колебаний велосиметрич.
метод более чувствителен и показания
прибора более стабильны.
Велосиметрич. метод широко при-
применяется для контроля многослойных
конструкций, в к-рых отдельные слои
Рис. 9. Блок-схема велосиметрического
дефектоскопа: j — излучатель; 2 — при-
приёмник; 3 — контролируемое изделие;
4 — дефект; 5 — генератор; в — усили-
усилитель; 7 и 10 — формирующие устройства;
8 — фазоизмерительный каскад; 9 — фазо-
фазовращатель; 11 — индикатор; 12 — релей-
релейный каскад; 13 — блок АРУ; 14 — изме-
измеритель амплитуды сигнала; is — стрелоч-
стрелочный прибор.
выполнены из неметаллич. материа-
материалов (слоистых пластиков), обладаю-
обладающих повышенной гигроскопичностью и
высокими значениями б.
Акустико-топографический метод
основан на возбуждении в контроли-
контролируемом изделии мощных изгибных ко-
колебаний заданной (в первом варианте
метода) или непрерывно меняющейся
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
ИЗ
(во втором варианте) частоты с одно-
одновременной визуализацией картины ко-
колебаний поверхности изделия, напр.
путём нанесения на эту поверхность
тонкодисперсного порошка. При до-
достаточно сильных колебаниях поверх-
поверхности изделия с заданной частотой
частицы порошка из мест, не принад-
принадлежащих узлам, постепенно смещают-
смещаются к узлам колебаний, рисуя картину
распределения узловых линий на по-
поверхности — т. н. Хладни фигуры.
Для бездефектного изотропного мате-
материала эта картина получается чёткой
и непрерывной. Если же в материале
имеется дефект, то в зоне дефекта кар-
картина меняется: узловые линии иска-
искажаются в месте наличия включений,
а также на участках, характеризую-
характеризующихся анизотропией механич. свойств,
или прерываются при наличии рас-
расслоения. Если используется второй
вариант метода (рис. 10), то при нали-
Рис. 10. Блок-
схема акусти-
ко-топографи-
ко-топографической уста-
установки для кон-
контроля биме-
биметаллических изделий: I — генератор ка-
качающейся частоты; 2 — усилитель с про-
программным регулированием; 3 — усилитель
мощности; 4 — широкополосный магнито-
стрикционный преобразователь; 5 — кон-
контролируемое изделие.
чии расслоения находящийся над ним
участок верхнего слоя изделия рас-
рассматривается как колеблющаяся, за-
закреплённая по краю диафрагма; в мо-
момент резонанса, т. е. совпадения ча-
частоты возбуждения с собственной ча-
частотой этой диафрагмы, амплитуда её
колебаний резко возрастает, и части-
частицы порошка перемещаются к грани-
границам дефектной зоны, оконтуривая её
с большой точностью. Работа ведётся
на частотах 30—200 кГц. Чувстви-
Чувствительность метода весьма высока: в мно-
многослойном изделии (напр., биметал-
лич. или триметаллич. лист) с толщи-
толщиной верхнего листа 0,25 мм обнару-
обнаруживаются дефекты протяжённостью
1—1,5 мм. Мёртвая зона отсутствует,
сканирование не требуется — излу-
излучатель прижимается к поверхности
изделия в одной точке.
Методы УЗ-вой Д. широко приме-
применяются в различных областях народ-
народного хозяйства, способствуя повыше-
повышению качества изделии ответственного
назначения, их надёжности и ресур-
ресурса. В связи с этим высокие требования
предъявляются к достоверности коли-
количественной информации, получаемой
при использовании методов Д., и к точ-
точности определения координат и разме-
размеров обнаруженных дефектов, а также
к точности измерения толщин изделий.
Эти точности определяются метроло-
гич. характеристиками используемых
приборов. Толщиномеры обладают до-
достаточно высокими метрологич. ха-
характеристиками, и поэтому измерения
толщин изделий могут быть выполне-
выполнены с достаточной точностью и зафикси-
зафиксированы в цифровой форме. Что же
касается дефектоскопов, то метроло-
метрологич. характеристики их невысоки, об-
обнаружению дефектов, определению их
координат и в особенности определе-
определению их истинных размеров сопут-
сопутствует множество случайных факто-
факторов, снижающих надёжность контроля
и достоверность его результатов. Это
приводит к тому, что по результатам
контроля можно лишь оценить вероят-
вероятность отсутствия в проконтролирован-
проконтролированном изделии дефектов, истинные разме-
размеры к-рых превышают допустимые.
Совершенствование аппаратуры и
методики УЗ-вого контроля, автомати-
автоматизация контроля, применение ЭВМ для
обработки получаемой информации по-
позволяют значительно повысить на-
надёжность контроля и достоверность его
результатов.
Лит.: Ш р а й б е р Д. С, Ультразвуко-
Ультразвуковая дефектоскопия, М., 1965; Ермо-
Ермолов И. Н., Методы ультразвуковой де-
дефектоскопии. Курс лекций, ч. 1—2, М.,
1966—68; Гурвич А. К., Ермолов
И. Н., Ультразвуковой контроль сварных
швов, К., 1972; Krautkramer J.
und H., Werkstoffpriifung mit Ultraschall,
3 Aufl., В.—Hdlb.—N. Y., 1975.
Д. С. Шрайбер.
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ ПОТЕН-
ПОТЕНЦИАЛ — изменение потенциальной
энергии электрона в зоне проводи-
проводимости при деформировании полупро-
полупроводника. Деформирование изменяет
ширину запрещённой зоны полупро-
полупроводника и тем самым потенциальную
энергию электрона в зоне проводимо-
проводимости. Энергия электрона & изменяется
при деформации кристалла на величи-
величину А# = ?—?ъ = Dihuih, где ?й —
энергия при отсутствии деформации,
D%h — тензор Д. п., щк — тензор
деформации. Вместо тензора Д. п. для
описания различных эффектов в по-
114
ДЕЦИБЕЛ
лупроводниках иногда вводят вели-
величину dEg/dP, которая представляет
собой изменение ширины запрещён-
запрещённой зоны Es полупроводника при
всестороннем сжатии (Р—давление)
и связана с />ift определённым соотно-
соотношением. Напр., для кристаллов гер-
германия dEgldP = —5-10~6 эВ/атм, а
для кремния -|- 1,5-10~6 эВ/атм. На-
Наличие Д. п. объясняет электрон-фо-
нонное взаимодействие в полупровод-
полупроводниках всех типов. В непьезоэлектрич.
полупроводниках (напр., в германии)
взаимодействие через Д. д. опреде-
определяет существование таких эффектов,
как электронное поглощение УЗ (см.
Взаимодействие ультразвука с элек-
электронами проводимости), акустоэлек-
трический эффект, усиление ультра-
ультразвука и др. В пьезоэлектрич. полу-
полупроводниках пьезоэлектрич. взаимо-
взаимодействие на относительно низких
частотах (—50 МГц ) сильнее, чем
взаимодействие через Д. п., однако
на частотах в несколько ГГц они
сравниваются. Наряду с акустоэлек-
тронным взаимодействием, Д. п. оп-
определяет такие эффекты, как пьезо-
сопротивление и тензорезистивный
эффект (изменение удельного электро-
электросопротивления в результате дефор-
деформации полупроводника), на основе
к-рых работают датчики давления,
полупроводниковые тензометры, мик-
микрофоны и др. устройства.
Лит.: Б и р Г. Л., П и к у с Г. Е.,
Симметрия и деформационные эффекты в по-
полупроводниках, М., 1972.
ДЕЦИБЕЛ (дБ) — логарифмиче-
логарифмическая единица измерения отношения
энергий или мощностей в акустике,
связи, электротехнике и радиотехни-
радиотехнике. В Д. измеряется уровень, т. е.
величина, пропорциональная деся-
десятичному логарифму отношения энер-
энергий, мощностей, интенсивностей зву-
звука, звуковых давлений, а также раз-
разность уровней. Число N Д., соответ-
соответствующее отношению двух энергий
(мощностей, интенсивностей) W± и Wz,
выражаетсяф-лой: N = 10 lg (Wi/W^j.
Разность уровней для двух звуковых
давлений pi и рг выражается ф-лой:
N = 20
10 Д. имеет наименование бел, откуда
и название Д. Уровень звукового дав-
давления в воздухе L измеряется в Д.
относительно условно единичного зна-
значения интенсивности, к-рое соответ-
соответствует звуковому давлению ро=2-10~5
Па и ЛдБ = 20 lg(pi/p0). При удвое-
удвоении интенсивности звука уровень
звукового давления увеличивается на
3 дБ. Увеличение уровня на 1 дБ близ-
близко к наименьшему различимому на
слух. И. Г. Русаков-
ДИАГНОСТИКА ультразву-
ультразвуковая — совокупность методов ис-
исследования здорового и больного ор-
организма человека, основанных на ис-
использовании УЗ. В УЗ-вой Д. ис-
используется затухание и отражение
УЗ-вых волн при прохождении их
через неоднородную среду (см. Зату-
Затухание звука, Отражение звука). Ос-
Основная особенность УЗ-вой Д.— воз-
возможность получить информацию о
мягких тканях, незначительно раз-
различающихся по плотности или упру-
упругости. УЗ-вой метод исследования об-
обладает высокой чувствительностью,
может использоваться для обнаруже-
обнаружения образований, не выявляемых с по-
помощью рентгена, не требует приме-
применения контрастных веществ, безбо-
безболезнен, практически не имеет проти-
противопоказаний.
Сравнительно большое затухание
УЗ в тканях и стремление получить
высокую разрешающую способность
обусловили выбор частотного диапа-
диапазона для УЗ-вой диагностич. аппара-
аппаратуры от 0,8 до 15 МГц. Низкие часто-
частоты используются при исследовании
глубоко расположенных объектов или
при исследовании, проводимом через
костную ткань, высокие — для визуа-
визуализации объектов, близко расположен-
расположенных к поверхности тела, для диагно-
диагностики в офтальмологии, при иссле-
исследовании поверхностно расположен-
расположенных сосудов.
Приборы для УЗ-вой Д. в извест-
известной мере аналогичны УЗ-вым дефек-
дефектоскопам (см. Дефектоскопия). Излу-
Излучение и приём УЗ в них осуществля-
осуществляется с помощью пьезоэлектрического
преобразователя с пьезоэлементами
в виде кварцевой или пьезокерамич.
пластины. В зависимости от способа
получения и характера воспроизве-
воспроизведения информации приборы для УЗ-
вой Д. делятся на группы: одномер-
одномерные приборы с индикацией типа А,
одномерные приборы с индикацией
типа М, двумерные приборы с инди-
индикацией типа В и приборы, работа ко-
которых основана на эффекте Доплера.
При УЗ-вой Д. с помощью прибо-
прибора типа А (рис. 1) преобразователь
ДИАГНОСТИКА
115
2, излучающий короткие (длительно-
(длительностью порядка 10~в с) УЗ-вые импуль-
импульсы, прикладывается к исследуемому
участку тела (напр., на рис. 1 к ро-
роговице глаза 6) через контактное ве-
вещество, в качестве к-рого чаще все-
всего используется вазелиновое масло.
В паузах между излучаемыми им-
Рис. 1. Блок-схема
одномерного прибора
с индикацией типа
А: 1 — генератор
электрических им-
импульсов; 2 — преоб-
преобразователь; 3 — уси-
усилитель; 4 — генера-
генератор развёртки; 5 —
злектроннол учевая
трубка; в — глаз;
7 — одномерная эхо-
грамма; Н — началь-
начальный импульс; Хр —
импульсы от хруста-
хрусталика; Ц — импульс
от глазного дна.
пульсами преобразователь принимает
импульсы, отражённые от различных
неоднородностей в тканях. После
усиления эти импульсы наблюдаются
на экране электроннолучевой трубки
5 в виде кратковременных отклоне-
отклонений луча от горизонтальной линии.
Полная картина отражённых импуль-
импульсов наз. одномерной эхограммой типа
А. Положение импульса относитель-
относительно начала эхограммы определяет рас-
расстояние между отражающей структу-
структурой и преобразователем. Эхограммы
тканей различного типа отличаются
друг от друга количеством импульсов
и их амплитудой. Анализ эхограммы
типа А во многих случаях позволяет
получить дополнительные сведения о
состоянии, глубине залегания и про-
протяжённости патологич. участка.
Одномерные приборы с индикацией
типа А применяются в неврологии,
нейрохирургии, онкологии, акушер-
акушерстве, офтальмологии и др. областях
медицины. Напр., применение их в
офтальмологии позволяет определять
размеры глаза и его отделов, обна-
обнаруживать и определять в нём по-
положение инородных тел, отслойки
сетчатки и сосудистой оболочки,
опухоли, проводить динамич. наблю-
наблюдение за развитием патологич. про-
процесса.
В приборах с индикацией типа М
отражённые импульсы после усиления
подаются не на отклоняющие пласти-
пластины электроннолучевой трубки, ка-к
в случае индикации типа А., а на её
модулирующий электрод. Вследствие
этого отражённые импульсы на эк-
экране трубки представляются в виде
чёрточек, яркость к-рых связана с
амплитудой импульса, а ширина —
с его длительностью. Развёртка этих
чёрточек во времени даёт картину от-
отдельных отражающих структур. Этот
тип индикации широко используется
в кардиографии. УЗ-вая кардиограм-
кардиограмма может быть зафиксирована при
помощи электроннолучевой трубки
с памятью или на бумажной ленте са-
самописца, на к-рой одновременно ре-
регистрируется и электрокардиограмма,
а при необходимости может также
регистрироваться фонокардиограмма и
частота дыхания. Запись движении
элементов сердца даёт важную инфор-
информацию о сердечной деятельности: опре-
определяется стеноз митрального клапана,
степень подвижности и отвердевания
трёхстворчатого клапана в результа-
результате отложения извести, врождённые
пороки сердца и др.
При использовании А и М методов
регистрации преобразователь нахо-
находится в фиксированном положении
на теле пациента. В случае же инди-
индикации типа В преобразователь пере-
перемещается (сканирует) вдоль поверх-
поверхности тела, при этом на экране элект-
электроннолучевой трубки с памятью или
трубки с послесвечением фиксируется
двумерная эхограмма (рис. 2), вое-
производящая поперечное сечение ис-
исследуемой области тела. Двумерные
УЗ-вые приборы с индикацией типа
В используются в онкологии, аку-
акушерстве и гинекологии, урологии,
Рис. 2. Двумерная эхограмма брюшной
полости беременной женщины: 1 — брюш-
брюшная стенка живота; 2 — головка плода;
3 — шейка плода; 4 — позвоночник пло-
плода; 5 ¦— грудной отдел туловища плода.
116
ДИСЛОКАЦИИ
оториноларингологии, офтальмологии
и др. Применение их в акушерстве,
напр., позволяет определить много-
многоплодие, положение и вид плода, ди-
диагностировать ранние сроки беремен-
беременности и отличить это состояние от
небольших миом и фибром матки.
В противоположность импульсным
приборам преобразователь приборов,
работа к-рых основана на эффекте
Доплера, содержит, как правило, две
пластины пьезоэлемента. Излучающий
пьезоэлемент генерирует непрерыв-
непрерывную УЗ-вую волну, в то время как
второй пьезоэлемент принимает от-
отражённые сигналы. Сдвиг частоты
УЗ-вой волны, отражённой от под-
подвижного объекта (напр., от стенки
сосуда), относительно частоты излу-
излучаемой волны обнаруживается с по-
помощью телефонов, громкоговорителя
или может быть зарегистрирован на
ленте самописца. Приборы с исполь-
использованием эффекта Доплера применя-
применяются для раннего определения бере-
беременности, сердцебиения плода, наблю-
наблюдения за родами, для исследования
кровотока и др.
Лит.: Руководство по ультразвуковой
диагностике, Таш., 1969; Матаушек
И., Ультразвуковая техника, пер. с нем.,
М., 1962. А. А. Чевненко.
ДИСЛОКАЦИИ в кристаллах—
дефекты кристалла, представляющие
собой линии, вдоль или вблизи к-рых
нарушено характерное для кристал-
кристалла правильное расположение атомных
плоскостей. Простейшими видами Д. яв-
являются краевая и винтовая Д. (рис. 1).
Если одна из кристаллографических
Рис. 1. Схема строения кристалла, изобра-
изображённая в виде семейства атомных плоско-
плоскостей: о — идеальный кристалл; б — крис-
кристалл с краевой дислокацией; в — кристалл
с винтовой дислокацией.
плоскостей обрывается внутри кри-
кристалла, то край этой «лишней» плос-
плоскости образует краевую Д. В случае
винтовой Д. ни одна из атомных
плоскостей не оканчивается внутри
кристалла, но сами плоскости ока-
оказываются лишь приблизительно па-
параллельными и смыкаются друг с дру-
другом так, что кристалл можно рас-
Рис. 2. Сетки
дислокаций в
кристалле
КС1, декори-
декорированные се-
серебром. Раз-
Размер ячеек по-
порядка не-
нескольких
мкм.
сматривать состоящим из одной атом-
атомной плоскости, закрученной в виде
винтовой поверхности. При выходе
на внешнюю поверхность винтовая
Д. обрывается, образуя ступеньку вы-
высотой в толщину одного атомного
слоя. Помимо краевой и винтовой Д.
возможны более сложные виды Д.,
в к-рых линия Д. представляет собой
произвольную кривую. Линии Д. не
могут обрываться внутри кристалла,
они должны быть либо замкнутыми,
образуя петли, либо разветвляться
на несколько Д., либо выходить на
поверхность кристалла. Располагаясь
рядами или сетками, Д. разделяют
кристалл на кристаллич. блоки
(рис. 2).
Участки кристалла вблизи Д. на-
находятся в упруго напряжённом сос-
состоянии. Напряжения убывают об-
обратно пропорционально расстоянию
от Д. Упругая энергия, обусловлен-
обусловленная полем напряжений Д., составляет
—10~4 эрг на 1 см её длины. Д. мо-
могут перемещаться в кристалле, вы-
вызывая его пластич. деформацию. Пе-
Перемещению Д. препятствуют не толь-
только прочность разрываемых межатом-
межатомных связей, но и рассеяние тепловых
колебаний атомов и электронов про-
проводимости в упругоискажённой об-
области кристалла, окружающей дви-
движущиеся Д., а также упругое взаимо-
взаимодействие с другими Д., с атомами пря-
месных элементов в твёрдых раство-
растворах, межзёренные границы в поли-
поликристаллах и др. дефекты в кристал-
кристаллах. Д. обычно образуются при кри-
кристаллизации, но могут возникать в
кристалле при пластич. деформации.
Д. определяют многие физич. свойства
кристаллов, они, в частности, вносят
значительный вклад в поглощение УЗ
(см. Дислокационное поглощение).
ДИСЛОКАЦИОННОЕ ПОГЛОЩЕ-
ПОГЛОЩЕНИЕ ультразвука — поглоще-
поглощение энергии звуковой волны, обусло-
обусловленное её взаимодействием с ди-
дислокациями в кристаллах. При рас-
распространении УЗ-вой волны через
ДИСЛОКАЦИОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ
117
кристалл в действующих плоскостях
скольжения возникают переменные
упругие напряжения, к-рые возбуж-
возбуждают колебательные движения дисло-
дислокаций. Колеблющиеся дислокации,
испытывая столкновения с тепловы-
тепловыми фононами, передают им часть сво-
своей энергии. Это приводит к дополни-
дополнительному (по сравнению с решёточным
поглощением, обусловленным непо-
непосредственным взаимодействием звуко-
звуковой волны с фононами,— см. Поглоще-
Поглощение звука) Д. п. УЗ; при этом изменя-
изменяется также и действующий модуль
упругости кристалла.
Характеристики Д. п. определя-
определяются многими факторами: упругими и
инерционными свойствами самих дис-
дислокаций, наличием или отсутствием
точек закреплений на дислокацион-
дислокационных линиях, типом закрепления и
его энергией связи, характером дис-
сипативных сил, тормозящих движе-
движение дислокаций, высотой барьеров
Пайерлса (т. е. максимальной энер-
энергией, необходимой для перехода ди-
дислокации с одного уровня с мини-
минимальной энергией на другой). Можно
выделить следующие основные ме-
механизмы Д. п.: 1 — резонансный,
2 — амплитудно-зависимый гистере-
гистерезис, 3 — дислокационная релакса-
релаксация. Физич. описание первых двух
механизмов основывается на модели
Келера — Гранато — Л юкке, согласно
крой кристалл содержит трёхмерную
сотку дислокаций с расстояниями
между узлами, равными L^; дисло-
дислокационная петля Zjy закреплена
в узлах сетки, а также в ряде проме-
промежуточных точек, где располагаются
точечные дефекты, способные взаимо-
взаимодействовать с дислокациями посред-
посредством упругих (механизм Котрелла)
или электрич. сил. Расстояние между
этими точками определяет длины дис-
дислокационных отрезков Lc (рис. 1, а),
которые могут совершать колебатель-
колебательное движение под действием УЗ-вой
волны. Резонансный механизм по-
поглощения реализуется при достаточно
малых интенсивностях УЗ, когда от-
отрезки Lc выгибаются упруго и не
происходит их отрыва от закрепляю-
закрепляющих дефектов. Колебание дислокаци-
дислокационного отрезка в этом случае описы-
описывается дифференциальным ур-нием,
подобным ур-нию упругой струны,
колеблющейся в вязкой среде, при
этом роль вязкости, демпфирующей
движение дислокаций, играет «фонон-
ная вязкость». Частотная зависимость
поглощения для данного механизма
имеет резонансный характер с макси-
максимумом декремента затухания на часто-
частоте сото = a>20/d, где соо — собственная
резонансная частота отрезка Lc,
d — постоянная демпфирования в
ур-нии колебаний дислокационного
отрезка. При Lc = 10~2 — 10~4 см
максимум Д. п. приходится на часто-
частоты порядка единиц или десятков МГц,
Рис. 1. Три стадии выгибания дислока-
дислокационной линии под действием приложен-
приложенного напряжения.
Амплитудно-зависимый гистерезис
появляется при таких интенсивно-
интенсивностях УЗ, когда абсолютные величины
упругих напряжений в плоскости
скольжения а% при циклич. изменении
достигают критич. значений о"отр,
достаточных для отрыва отрезков
Lc от закрепляющих дефектов. Если
предположить, что все эти дефекты
принадлежат к одному типу с неиз-
неизменной энергией связи и располагают-
располагаются на линии дислокации случайным
образом, то в момент, когда а% = оотр,
петля L?f должна сразу отрываться
от всех закрепляющих точек, кроме
узлов (рис. 1, б, в). При уменьшении
напряжения в последующей фазе
цикла петля упруго сжимается, воз-
возвращаясь к своему исходному поло-
положению, и снова закрепляется дефек-
дефектами. Поскольку процесс отрыва
связан со скачкообразным увеличе-
увеличением дислокационной деформации
"дне! т0 зависимость 1гдис = /(ох )
приобретает вид характерной гисте-
резисной петли (рис. 2), площадь
к-рой определяет величину потерь
энергии за полупериод. Как показы-
показывают расчёты, в килогерцевой области
частот, где дислокационная деформа-
деформация не зависит от частоты, декремент
затухания, обусловленный таким ме-
118
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ
ханизмом, также частотно-независим
и экспоненциально увеличивается с
ростом амплитуды колебательной де-
деформации. Экспериментальные иссле-
исследования Д. п., выполненные в широ-
I
I
I
r
Оотр
Рис. 2. Вид гистерезисной петли при
дислокационной деформации.
ком диапазоне частот, температур,
амплитуд деформаций, удовлетвори-
удовлетворительно подтверждают основные вы-
выводы теории, базирующейся на рас-
рассмотренной выше модели.
Третий механизм — дислокационная
релаксация — ответствен за появление
низкотемпературных пиков поглоще-
поглощения, впервые открытых П. Бор-
дони. Этот вид поглощения не свя-
связан с точечными дефектами, а обусло-
обусловлен взаимодействием дислокаций
непосредственно с самой кристаллич.
решёткой. В простейшем случае ди-
дислокационную релаксацию можно опи-
описать моделью, где два энергетич. со-
состояния, соответствующие минимумам
энергии дислокации, разделены барь-
барьером Пайерлса. Если пренебречь
квантовомеханич. флюктуациями, то
при темп-ре ОК линии дислокаций
целиком располагаются в одной из
потенциальных ям вдоль направления
плотной упаковки. Минимальные на-
напряжения, необходимые для преодо-
преодоления дислокацией барьеров, рав-
равны здесь напряжениям Пайерлса —
Од. При отличных от нуля темпера-
температурах переброс частей дислокации
из одной ямы в другую существенно
облегчается действием температурных
флюктуации. Дислокационная линия
при этом уже не является прямой, а
содержит пары перегибов (рис. 3).
Наличие перегибов делает возможным
движение отдельных участков дисло-
дислокаций при возбуждаемых УЗ в кри-
кристалле напряжениях ат -Сап, поэ-
поэтому наложение УЗ изменяет распре-
распределение пар перегибов. Т. к. фор-
формирование новых перегибов связано
с тепловой активацией, воздействие
УЗ-вых напряжений приводит к явле-
явлению акустич. релаксации. При совпа-
совпадении частоты УЗ с частотой форми-
формирования пар перегибов декремент за-
затухания проходит через максимум.
Многочисленные исследования на
разных металлах хорошо подтвержда-
подтверждают релаксационную природу пиков
Бордони.
Экспериментальные измерения Д. п.
позволяют непосредственно изучать
кинетику и динамику дислокаций;
такие измерения могут быть также
использованы в качестве экспресс-
методов для регистрации весьма тон-
тонких изменений в дислокационной
структуре кристаллов при различно-
различного рода внешних воздействиях — ме-
механических, температурных, иони-
ионизирующих облучений и т. д. Наблю-
Наблюдение характеристик возврата Д. п.
даёт возможность определять акти-
вационные энергии вакансий, дива-
кансий, примесей. На практике метод
Г>ОК
\
A
D
С
<
1
1
1
1
i
i
i
i
i
i
nepi
i
i
i
i
i
i
i
p
i
Рис. 3. о — дислока-
дислокация в положении АВ,
соответствующем мини-
минимуму энергии при Т =
=0К; б — дислокации
с перегибами, отрезок
CD которой находится
в положении, соответ-
соответствующем минимуму
энергии; пунктирные
линии — положения
максимальной энергии.
Д. п. можно использовать для целей
контроля содержания примесей в чис-
чистых и сверхчистых металлах.
Лит.: Ультразвуковые методы исследо-
исследования дислокаций, сб. статей под ред.
Л. Г. Меркулова, М., 1963; Постни-
Постников В. С, Внутреннее трение в металлах,
М., 1969; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 3, ч. А, М., 1969;
т. 4, ч. А, 1969, гл. 6, 7; Труэлл Р.,
Э л ь б а у м Ч., Ч и к Б., Ультразвуковые
методы л физике твердого тела, пер. с англ.,
М., 1972. Л. Г. Меркулов.
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ультра-
ультразвуковое-— тонкое размельчение
твёрдых веществ или жидкостей, т. е.
переход веществ в дисперсное состо-
состояние с образованием золя под дей-
действием УЗ-вых колебаний. Обычно
термином «Д.» обозначают размель-
размельчение твёрдых тел в жидкой среде.
Д. жидкостей в газах (воздухе) наз.
распылением, а Д. жидкостей в жид-
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ
119
костях — эмульгированием. УЗ-вое Д.
позволяет получать высокодисперс-
высокодисперсные (средний размер частиц — мкм
и доли мкм), однородные и химиче-
химически чистые суспензии.
Д. осуществляется при воздействии
УЗ на суспензии и при разрушении
в УЗ-вом поле агрегатов твёрдых час-
частиц, связанных между собой силами
слипания, спекания или спайности.
При УЗ-вом Д. суспензии дисперс-
дисперсность продукта увеличивается на не-
несколько порядков по сравнению с Д.
без применения УЗ. Кавитацион-
Кавитационная эрозия поверхности твёрдого те-
тела в жидкости и процесс УЗ-вой
очистки также сопровождаются Д.
Для протекания УЗ-вого Д. необ-
необходима кавитация. Измельчение ве-
веществ происходит под действием удар-
ударных воли, возникающих при захло-
захлопывании навигационных полостей. Д.
начинается при интенсивности / УЗ,
превышающей нек-рое пороговое зна-
значение /п. Величина /п составляет
обычно несколько Вт/см2 и зависит
от кавитационной прочности жидко-
жидкости, состояния поверхности твёрдой
фазы, а также от характера и величи-
величины сил взаимодействия между от-
отдельными частицами твёрдой фазы.
С ростом / скорость Д., т. е. коли-
количество измельчённого в единицу вре-
времени вещества Am/At, возрастает;
она возрастает также с увеличением
хрупкости и с уменьшением твёрдо-
твёрдости и спайности частиц диспергируе-
диспергируемого материала. Наиболее успешно
УЗ-вое Д. происходит при обработ-
обработке аморфных и агрегированных ве-
веществ типа почв и горных пород, при
расщеплении текстурированных ма-
материалов типа целлюлозы, стеклян-
стеклянной ваты, асбеста, при действии на
растительные и животные клетки.
Сравнительно легко диспергируется
каолин, гипс, слюда, сера, графит
и т. п., труднее — чистые металлы.
Для получения суспензии металлов
рационально сочетать процессы их
химич. или электролитич. осаждения
с УЗ-вым Д.
Д. значительно интенсифицируется,
если наряду со знакопеременным зву-
звуковым давлением с амплитудой рзв на
жидкость наложить постоянное (ста-
(статическое) давление Ро (см. Кавитаци-
онная эрозия). В этих условиях су-
существенно возрастают пиковые зна-
значения давления в ударной волне и
кавитационное разрушение твёрдой
фазы, оцениваемое по убыли из моно-
монолита вещества, перешедшего в дис-
дисперсное состояние, ускоряется в де-
десятки, сотни и даже тысячи раз при
равных затратах акустич. энергии.
Существует оптимальное соотношение
между Ро и рэв, ПРИ к"Ром происходят
максимальная кавитационная эрозия
(рис.) и, следовательно, наиболее ин-
интенсивное Д. твёрдой фазы.
УЗ-вое Д. широко используется
в лабораторной практике для полу-
получения суспензий, для подготовки об-
образцов к минералогич. анализу и т. п.,
в ряде технологич. процессов в хи-
химич., пищевой, фармацевтич., тек-
текстильной, лакокрасочной промышлен-
1000
Зависимость ве-
величины кавитаци-
онной эрозии,
оцениваемой по
убыли веса Am
твёрдого образца,
от статического
давления Ро при
различных амп-
амплитудах звуково-
звукового давления
Рзв : 1 — Рзв =
=10» Па A0 атм);
2 — рзв = 2 • 10»
Па B0 атм); 3 —
-Рзв = 5-10» Па
E0 атм).
3 7 20 50
Ра-1О'ЪПа
ности и др. отраслях. Кавитационная
эрозия позволяет получать материалы
сверхтонкой дисперсности, к-рые иг-
играют большую роль в порошковой
металлургии, т. к. от степени измель-
измельчения исходного материала и вводи-
вводимых в него тугоплавких окислов за-
зависит конечная плотность, механиче-
механические свойства и жаропрочность изде-
изделий; в технике изготовления ферритов
сверхтонкое измельчение порошков
ферритов улучшает эксплуатацион-
эксплуатационные характеристики ферритовых сер-
сердечников; УЗ-вое Д. применяется так-
также при изготовлении высокодисперс-
высокодисперсных люминофоров, повышающих ка-
качество изображения и увеличиваю-
увеличивающих светоотдачу экранов электрон-
электроннолучевых приборов. УЗ-вое Д. полу-
полупроводниковых материалов увеличи-
увеличивает их термоэлектрич. эффектив-
эффективность. Фармакологич. материалы вы-
высокой дисперсности применяются в
биологии и медицине. В существую-
существующих УЗ-вых диснергаторах в качест-
120
ДИСПЕРСИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА
ве источника УЗ используются либо
гидродинамические излучатели, либо
излучатели на основе электромеха-
электромеханически активных материалов (напри-
(например, магнитострикционные преобразо-
преобразователи).
Лит.: Новицкий Б. Г., Аниси-
мова В. А., Выбор оптимальных усло-
условий для ультразвукового диспергирования
суспензий, «Ультразвуковая техника»,
1965, в. 1; Ф р и д м а н В. М., Физико-
химическое действие ультразвука на гете-
гетерогенные процессы, там же, 1967, в. 6; А г-
р а н а т Б. А. и др., Ультразвук в гид-
гидрометаллургии, М., 1969, С. 45—55, 136—45;
БергманЛ., Ультразвук и его приме-
применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд.,
М., 1957, с. 469—84; Агранат Б. А.
и др., Ультразвуковая технология, М.,
1974. О. К. Экнадиоеянц.
ДИСПЕРСИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА
(дисперсия звука) — зави-
зависимость фазовой скорости монохро-
матич. звуковых волн от их частоты
со. Д. с. з. может быть обусловлена
как физич. свойствами среды, так и
присутствием в ней посторонних
включений и наличием границ тела,
в к-ром звуковая волна распростра-
распространяется.
Дисперсия скорости звука, обус-
обусловленная свойствами среды. Д. с. з.,
связанная с физич. свойствами самой
среды, возникает, когда действие
акустич. волны приводит к неравно-
неравновесному состоянию среды, возбуждая
внутренние степени свободы. Такими
внутренними степенями свободы мо-
могут быть колебательные и вращатель-
вращательные движения молекул, процессы
ионизации и диссоциации, химич. ре-
реакции, перестройка внутренней струк-
структуры жидкости, различные процессы
взаимодействия ультразвука с элек-
электронами проводимости в металлах
и полупроводниках, магнитоупругие
явления и т. д. Перераспределение
энергии между поступательными и
внутренними степенями свободы про-
происходит за нек-рый промежуток вре-
времени т, к-рый наз. временем релакса-
релаксации (см. Релаксация акустическая).
Если период Т звуковой волны мал
по сравнению с т (или сот>1 — вы-
высокие частоты), то за время Т внутрен-
внутренние степени свободы не успевают воз-
возбудиться, поэтому переход энергии
на них практически происходить не
будет и среда будет вести себя так,
как будто внутренние степени свободы
отсутствуют. Если же Г>т (сот<1 —
низкие частоты), то часть энергии
поступательного движения успеет
перераспределиться на внутренние
степени свободы. При этом вслед-
вследствие уменьшения энергии поступа-
поступательного движения упругость среды
и скорость звука также будут меньше,
чем в случае высоких частот. Т. о.,
при наличии релаксации скорость
звука увеличивается с ростом часто-
частоты (рис. 1). Наиболее быстрый рост
скорости происходит при частоте
Шр = 1/t и вблизи неё («дисперсион-
(«дисперсионная область»). Для большинства сред
Шр лежит в области УЗ-вых и гипер-
Рис. 1. Зависимость фазовой скорости
ультразвука с от частоты (о для случая
релаксации.
звуковых частот. Если с„ — скорость
звука при малых частотах (сот<1),
а („ — при очень больших частотах
(сот>1), то скорость звука для про-
произвольной частоты со описывается
ф-лой:
Такая зависимость с(со) характерна
для всех релаксационных процессов
в однородных средах. Д. с. з. соп-
сопровождается также повышенным по-
поглощением звука сравнительно с по-
поглощением, обусловленным сдвиго-
сдвиговой вязкостью и теплопроводностью.
Д. с. з. обычно характеризуют вели-
величиной Дс/с0 = (с,», — со)/со. Измерение
Д. с. з. (как величины Лс/с0, так и
величины т) является одним из ме-
методов исследования молекулярной
структуры вещества (см. Молекуляр-
Молекулярная акустика).
В газах время релаксации т
зависит от темп-ры t, давления газа
Р, а также от наличия примесей дру-
других газов. Поскольку величина f/P
(где / = со/2я) отличается от величи-
величины сот, как правило, лишь постоян-
постоянным множителем, частотные кривые
Д. с. з. (и поглощения) для газов
строятся обычно в зависимости от ве-
величины f/P. В табл. 1 приведены зна-
значения величины дисперсии и соответ-
ДИСПЕРСИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА
121
Табл. 1.—Дисперсия скорости
звука в газах
Газ
СО,. . . .
CS, ....
СС14 . . .
t "С
23
300
UP,
МГЦ/атм
0,035
0,404
20
Де/е0
0,04
0,07
0,09
ствующие частоты релаксации /р, отне-
отнесённые к давлению Р, для некото-
некоторых газов.
Наличие примесей других газов
может как ускорять, так и замедлять
процесс передачи энергии от одних
степеней свободы к другим. Поэтому
в смеси газов область дисперсии
сдвигается по частоте в зависимости
от концентрации компонент смеси
(рис. 2). В различных газах те или
960
ID6 ID' I08
f/p, Гц/атм
Рис. 2. Частотная зависимость скорости
УЗ в смесях газов С2Н4 и С2Н« при раз-
различной концентрации компонентов и при
температуре 23,6 "С.
иные релаксационные процессы про-
проявляются в разной степени. Так,
напр., в двухатомных газах преоб-
преобладает колебательная релаксация,а
в многоатомных может иметь место
как колебательная, так и вращатель-
вращательная релаксация. В ряде случаев воз-
возможна также электронная релакса-
релаксация, т. е. возбуждение электронов
под действием звука. В большинстве
газов вращательная и колебательная
релаксации происходят с чётко оп-
определёнными временами т, к-рые при
нормальных условиях различаются
на несколько порядков. В таких слу-
случаях можно наблюдать несколько об-
областей дисперсии. Иногда при этом
та или иная область Д. с. з. может
оказаться в диапазоне частот, труд-
трудно поддающемся экспериментальному
исследованию. Но поскольку время
релаксации убывает с ростом темп-ры
и давления, то, меняя t и Р, можно
сдвигать область дисперсии по частоте
в область, удобную для исследований.
Если в газе могут протекать к.-л.
химич. реакции, то связанные с ними
релаксационные процессы наклады-
накладываются на колебательную и вращатель-
вращательную релаксации, и это усложняет кар-
картину Д. с. з. Такое явление наблюда-
наблюдается, напр., в газе NO2, где наряду
с колебательной релаксацией значи-
значительный вклад в дисперсию даёт
реакция 2NO2^N2O4, к-рая всегда
имеет место в этом газе. Величина
Ас/са в воздухе не превышает 0,032%
и обусловлена в основном наличием
паров воды: частота релаксации за~
висит от влажности и при нормальных
условиях увеличивается с ростом по-
последней по закону
/р = 3,06 -fcM.io^-i,
где h — отношение парциального да-
давления водяного пара к полному да-
давлению воздуха.
Д. с. з. наблюдается также и в
жидкостях, где она связана с
различными процессами: с колеба-
колебательной и поворотно-изомерной ре-
релаксациями, с перестройкой внутрен-
внутренней структуры жидкости, с процес-
процессами диссоциации, химич. реакция-
реакциями и т. д. В общем случае анализ
релаксационного процесса в жидко-
жидкости весьма сложен.
В большинстве жидкостей величина
Д. с. з. очень мала, но в ряде жидко-
жидкостей доходит до единиц % и даже пре-
превосходит 10%. Область дисперсии
лежит обычно в гиперзвуковом диа-
диапазоне частот. В таких жидкостях,
как четырёххлористый углерод, бен-
бензол, хлороформ и др., Д. с. з. имеет
место в области частот—109 — 1010 Гц,
где обычные УЗ-вые методы исследо-
исследования неприменимы. Лишь развитие
оптико-акустич. методов исследова-
исследования, а особенно появление лазеров,
позволило с большой точностью из-
измерить скорость звука на гиперзву-
гиперзвуковых частотах (см. Мандельштама—
Бриллюэна рассеяние) и определить
величину Д. с. з., вычитая из ско-
скорости гиперзвука скорость, найден-
найденную обычными УЗ-выми методами.
В табл. 2 приведены данные для ряда
жидкостей, где сТ — скорость, изме-
122
ДИСПЕРСИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА
ренная оптич. методом на частотах
{5—6) • 109 Гц, а су — скорость, из-
измеренная в УЗ-вом диапазоне частот
обычными методами.
Табл. 2. — Дисперсия скорости
звука в жидкостях
Жидкость
Бензол
Хлороформ . . .
Анилин
Нитробензол . .
Толуол , . . ¦ .
Вода . , , . . . .
t °С
оосмооо
C\l C\l C\l C\l CJ С\1
сг, м/с
1470
1211
1699
1546
1380
1480
Су, М/С
1324
1005
1564
1473
1324
1485
Дс/с„
0, 10
0,17
0,09
0,06
0,04
0,00
Поскольку время релаксации т за-
зависит от темп-ры, в области дисперсии
имеется заметная зависимость с от t
(рис. 3).
В сильно вязких жидкостях, та-
таких, напр., как глицерин, триацетил,
Д. с. з. достигает десятков %; она
возникает вследствие перестройки
внутренней структуры жидкости под
действием звуковой волны. В таких
веществах область дисперсии шире,
чем в средах с обычной релаксацией,
а время релаксации тср сильно зави-
х. 7.4 в МГц
1.8 МГц
•50.8 МГц
1200
-20
О 20 40 60
Температура "С
30
Рис. 3. Зависимость скорости звука с от
температуры для дифенилпентахлорида
в области релаксации, измеренная при
фиксированных значениях частоты.
-сит от темп-ры и примерно пропор-
пропорционально вязкости (табл. 3).
В растворах электролитов Д. с. з.
«вязана с процессами диссоциации,
в частности в морской воде она обу-
обусловлена диссоциацией растворённой
соли MgSO4. Величина дисперсии в
этом случае зависит от концентрации
соли: Ае/е0 = 13,6-1СГ4Л/, где М —
молярная концентрация соли. В мор-
морской воде Де/е0<0,01%, а часто-
частота релаксации при 20 °С порядка
Табл. 3. —Дисперсия ск
звука в ассоциирова
жидкостях
орости
нных
Жидкость
Бутандиол 1,3 . . . .
Пропандиол 1,2 . . .
Глицерин »
Дифенил-пентахло-
рид
о
•**
-32
— 37
-14
34
,2
,8
,ь
л
о
S3
то
189
906
616
12
<
0
0
0
0
|<?
37
43
5 Я
,29
1
1
1
0
о
о
38
,41
, к
,32
120 кГц. Значения Д. с. з. для вод-
водных растворов нек-рых солей приве-
приведены в табл. 4.
Табл. 4.—Дисперсия скорости
звука в электролитах
Соль
MgSO, . .
CoSOt . .
MgS2O, . .
Сред-
Средняя
концен-
концентрация
0,5
0,5
0,5
t "С
9,5
20
38
Частота
релакса-
релаксации /р,
МГц
2,7
0,435
1,1
Дс/с„М,
1/моль
0,0033
0,0022
0,00054
Д. с. з. наблюдается в полимерах,
где область дисперсии обычно оказы-
оказывается значительно шире, чем описы-
описываемая ф-лой A). Считается, что в по-
полимерах имеется широкий спектр вре-
времён релаксации и соответствующие им
области релаксации перекрываются по
частоте.
В твёрдых телах Д. с. з.
появляется обычно тогда, когда аку-
стич. волна взаимодействует с к.-л.
видами внутренних возбуждений и
под её действием возникает измене-
изменение состояния электронов, системы
спинов, спиновых волн или любой
другой системы. Так, напр., при
распространении звука в полупро-
полупроводнике, обладающем пьезоэффектом
(напр., CdS, ZnO), взаимодействие
звуковых волн с электронами проводи-
проводимости приводит к Д. с. з. и к погло-
поглощению релаксационного типа (а при
нек-рых условиях — к усилению зву-
звука, см. Усиление ультразвука). Ве-
Величина Д. с. з. в этом случае оп-
определяется величиной коэффициента
электромеханической связи К для дан-
данного материала: Ас/сд^1/^ К2. Поло-
Положение области частот, в к-рой имеется
дисперсия, определяется условием:
со=&Шр = ~[/'oc20/zD, где а — прово-
ДИСПЕРСИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА
123
димость материала, D — константа
диффузии, 8 — диэлектрич. прони-
проницаемость. Д. с. з. релаксационного
тина появляется также в сегнето-
электриках вблизи темп-ры фазового
перехода 2-го рода. Д. с. з. имеет
место в веществах с сильным магни-
тоупругим взаимодействием, напр,
в ферритах-гранатах, в той области
частот, где волновые числа упругой
волны и спиновой волны сравнимы (см.
Магнитоупругие волны).
Заметная Д. с. з., обусловленная
наличием включений, имеет место в
микронеоднородных сре-
средах, напр, в эмульсиях, где она
связана с выравниванием разнос-
разности темп-р между компонентами эмуль-
эмульсии, возникающей при сжатиях и
разрежениях в звуковой волне. При
высоких частотах это выравнивание
не успевает произойти и скорость
звука оказывается больше, чем при
низких частотах. Дисперсия скорости
звука этого типа имеет место также
при распространении акустич. волн
в капиллярных трубках, во взвесях
тяжёлых частиц в жидкостях и га-
газах и т. п.
При распространении звука в жид-
жидкости с газовыми пузырьками или
же в твёрдом теле при наличии дисло-
дислокаций наблюдается Д. с. з. резонанс-
резонансного типа. Сильное взаимодействие
между звуковой волной и этими неод-
нородностями осуществляется, когда
частота звуковой волны близка к
резонансной частоте пульсации пу-
пузырька или движения дислокации.
Зависимость скорости УЗ с от часто-
частоты со для твёрдого тела с дислокация-
дислокациями описывается выражением:
4iVco
@„—(О2
«„-со2 +(cod)!
где А — величина, связанная с демп-
демпфированием дислокаций, со0 =
1 Г 2G IV,
= ~ — резонансная частота
L lp(l-o)J
дислокации, G — модуль сдвига, а —¦
коэфф. Пуассона, р — плотность ве-
вещества, L — длина петли дислокации,
N—плотность дислокаций, со= (G/py/г—
скорость звука в данной среде без
учёта дислокационных эффектов. Ес-
Если со >со0, то е=&с0 и влияние дисло-
дислокаций не проявляется. С уменьшением
частоты в области со=&со0 наблюдается
сильное поглощение (см. Дислока-
Дислокационное поглощение), а в зависимости
от со появляются различные анома-
аномалии, характер и величина к-рьгх оп-
определяются значением й. При этом
может иметь место как положитель-
положительная, так и отрицательная Д. с. з.
(последняя характеризуется умень-
уменьшением скорости звука с ростом ча-
частоты). При со<со0 скорость звука
вновь не зависит от частоты, но ока-
оказывается меньше, чем с0; относитель-
относительная разность скоростей на высоких и
низких частотах пропорциональна
плотности дислокаций (рис. 4). Обыч-
Рис. 4. Изменение скорости УЗ с в среде
с дислокациями в зависимости от отноше-
отношения частоты ультразвука со к резонансной
частоте дислокаций соо при различном
демпфировании дислокации, характери-
характеризуемом величиной d/co0.
но считается, что значения величины
L находятся в пределах 10~3 — 10~> см.
Тогда резонансная частота со0 лежит
в пределах 5-108 — 1010Гц.
Аналогичный характер имеет за-
зависимость с от со при распространении
звука в жидкости с газовыми пузырь-
пузырьками. В этом случае относительная
разность скорости на высоких и низ-
низких частотах, т. е. величина диспер-
дисперсии Ас/с0, зависит от концентрации
пузырьков газа и от их радиуса, а ре-
резонансная частота пузырьков — от их
радиуса и гидростатич. давления.
В твёрдом теле при очень высоких
частотах (со>1012 Гц), когда длина
волны становится сравнимой с рас-
расстоянием между атомами вещества,
появляется Д. с. з., связанная с дис-
дискретной структурой материи (см.
Колебания кристаллической решётки).
С ростом частоты фазовая скорость
звука уменьшается до тех пор, пока
частота не станет равной нек-рой гра-
граничной частоте и волна перестанет
распространяться.
124
ДИФРАКЦИЯ ЗВУКА
Дисперсия скорости звука, обус-
обусловленная наличием границ тела.
Принципиально другим типом Д. с. з.
является «геометрическая» дисперсия,
обусловленная наличием границ те-
тела или среды распространения. Она
появляется при распространении волн
в стержнях, пластинах, в любых аку-
стич. волноводах. Д. с. з. наблюда-
наблюдается для изгибных волн в тонких
пластинах и стержнях (при этом
толщина пластины или стержня долж-
должна быть много меньше, чем длина вол-
волны к). Наличие её можно объяснить
следующим образом: упругость тон-
тонкого стержня на изгиб тем больше,
чем меньше изгибаемый участок. При
распространении изгибной волны дли-
длина изгибаемого участка определяет-
определяется величиной к. Поэтому при умень-
уменьшении к (при повышении частоты
со) увеличивается упругость, а следо-
следовательно, и скорость распространения
волны с, т. е. имеет место дисперсия.
В такой изгибной волне с~~]/а>.
Важным видом Д. с. з. является
дисперсия нормальных волн при рас-
распространении звука в волноводе. Роль
такого волновода может играть слой
в любой слоисто-неоднородной среде.
Звуковое поле в волноводе можно
представить как суперпозицию нор-
нормальных волн разных номеров, рас-
распространяющихся с разными фазовы-
фазовыми скоростями. Напр., в жидком слое
толщиной h, ограниченном абсолют-
абсолютно жёсткими плоскостями, нормаль-
нормальная волна с номером п при зна-
значении волнового числа k^>rm/h рас-
распространяется с фазовой скоростью
Где с = ы1к -
рость звука в среде, заполняющей слой.
При k<Cjinlh волна данного номера
(и всех высших номеров) превращает-
превращается в синфазное колебание, экспонен-
экспоненциально убывающее вдоль слоя. Фа-
Фазовая скорость каждой нормальной
волны зависит от частоты. При кри-
тич. частоте сокр = nnclh для волны
данного номера п её фазовая скорость
равна бесконечности, а с повышением
частоты скорость уменьшается, мо-
монотонно стремясь к скорости звука
с в неограниченной среде. Групповая
скорость нормальной волны данного
номера равна нулю на своей критич.
частоте и монотонно растёт, стремясь
к с при увеличении частоты. Нахож-
Нахождение зависимости скорости нормаль-
нормальных волн от частоты для твёрдых вол-
волноводов более сложно и требует чи-
численных методов расчёта.
Д. с. з. приводит к искажению лю-
любого немонохроматич. сигнала. При
узкополосном сигнале форма волны
меняется, но форма её огибающей ос-
остаётся без изменения и перемещается
со скоростью и = da>/dk (групповая
скорость). При распространении ши-
широкополосного сигнала меняет свою
форму и огибающая, что, напр., для
импульсных сигналов в ряде случаев
делает неопределённым понятие мо-
момента «прихода» сигнала в к.-л. точ-
точку. Эти обстоятельства существенны
в УЗ-вых линиях задержки. Иска-
Искажение формы импульса из-за диспер-
дисперсии может явиться серьёзной помехой
в гидролокации и в УЗ-вой дефекто-
дефектоскопии.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и
его применение в науке и технике, пер.
с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов
И. Г., Соловьев В. А., Сырни-
Сырников Ю. П., Основы молекулярной аку-
акустики, М., 1964; Физическая акустика, под
ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М.,
1968; т. 5, 1973, гл. 4; Фабелинекий
И- Л., Молекулярное рассеяние света,
М., 1965; Тру элл Р., Э л ь б а у м Ч.,
Ч и к Б., Ультразвуковые методы в фи-
физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972;
Физические основы подводной акустики,
пер. с англ., М., 1955; Бреховских
Л. М., Волны в слоистых средах, М.,
1957. А. Л. Полякова.
ДИФРАКЦИЯ ЗВУКА — отклоне-
отклонение поведения звука от законов
геометрич. акустики, обусловленное
волновой природой звука. Резуль-
Результат Д. з.— расхождение УЗ-вых пуч-
пучков при удалении от излучателя или
после прохождения через отверстие
в экране, загибание звуковых волн
в область тени позади препятствий,
больших по сравнению с длиной вол-
волны, отсутствие тени позади препят-
препятствий, малых по сравнению с длиной
волны, и т. п. Звуковые поля, соз-
создаваемые дифракцией исходной вол-
волны на препятствиях, помещённых
в среду, на неоднородностях самой
среды, а также на неровностях и неод-
неоднородностях границ среды, наз. рас-
рассеянными полями (см. Рассеяние зву-
звука). Для объектов, на к-рых происхо-
происходит Д. з., больших по сравнению с дли-
длиной волны к, степень отклонений от
геометрич. картины зависит от значе-
значения волнового параметра Р = ~]/kr,'D,
где D — поперечник объекта (напр.,
поперечник УЗ-вого излучателя или
препятствия), г — расстояние точ-
ДИФРАКЦИЯ ЗВУКА
125
Рис. 1. Прохождение плоской волны через отверстие в экране при различных соот-
соотношениях между размером отверстия и длиной волны звука. Чем меньше отверстие, тем
быстрее волна расходится в стороны после прохождения отверстия.
ки наблюдения от этого объекта.
Вблизи поршневого излучателя зву-
звука при /"<1 («ближняя», или «про-
«прожекторная», зона) поле в основном
образовано цилиндрич. пучком лу-
лучей, исходящих из излучателя, и
в пределах пучка имеет в целом ха-
характер плоской волны с интенсивно-
интенсивностью, постоянной по сечению и не за-
зависящей от расстояния, в соответ-
соответствии с законами геометрич. акусти-
акустики, а дифракционные эффекты вы-
выражаются только в размывании гра-
границ пучка. По мере удаления от
излучателя дифракционные эффекты
усиливаются, и при Р-~~1 поле теряет
характер плоской волны и представля-
представляет собой сложную интерференционную
картину. На ещё больших расстоя-
расстояниях, при Р>1 («дальняя» зона),
пучок превращается в сферически
расходящуюся волну с интенсивно-
интенсивностью, убывающей обратно пропор-
пропорционально квадрату расстояния, и
с угловым распределением интенсив-
интенсивности, не зависящим от расстояния;
в этой области поле снова подчиня-
подчиняется законам геометрич. акустики.
Аналогичная картина наблюдается
в пучке, вырезаемом из плоской вол-
волны отверстием в экране (рис. 1). Уг-
Угловая ширина главного лепестка ха-
характеристики направленности вдали
от поршневого излучателя или экра-
экрана составляет по порядку величины
>.//?. Если требуется сузить УЗ-вой
пучок в ближней зоне, то поперечник
излучателя (или отверстия) следует
уменьшить, а в дальней зоне — уве-
увеличить: сужение характеристики на-
направленности требует увеличения раз-
размеров излучающей системы. При раз-
размерах излучателя (или отверстия в эк-
экране), малых по сравнению с X, про-
прожекторная зона отсутствует и зву-
звуковое поле представляет собой расхо-
расходящуюся волну уже на расстояниях
порядка к. При этом резко падают
сопротивление излучения и акустич.
мощность, передаваемая излучате-
излучателем в среду. Удельная мощность ма-
малого излучателя в плоском экране
в nS/№ раз меньше удельной мощ-
мощности большого излучателя при
одинаковой колебательной скорости
(где S — площадь малого излуча-
излучателя). При излучении звука в твёр-
твёрдую среду такого уменьшения пере-
передаваемой мощности малым излучате-
излучателем нет.
Аналогично размыванию пучка
в прожекторной зоне размывается
звуковая тень позади препятствия,
большого по сравнению с длиной вол-
волны (рис. 2, а); в области .Р>1 тень
практически исчезает. За препятст-
препятствием с размерами порядка длины вол-
волны и меньше звуковая тень практи-
практически не образуется (происходит «оги-
«огибание» препятствия — рис. 2, б).
Д. з. при фокусировке звука при-
приводит к тому, что вблизи фокусов и
каустич. поверхностей, на к-рых, сог-
согласно геометрич. акустике, звуко-
звуковое давление обращалось бы в беско-
бесконечность, образуются целые области
повышенных, но конечных значений
давления. Эти области тем уже, а
значения поля в них тем выше, чем
короче длина волны фокусируемого
звука.
Рис. 2. а — образование звуковой тени
позади препятствия, большого по сравне-
сравнению с длиной звуковой волны; б — оги-
огибание волной малого препятствия.
126
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ
Расчёт Д. з. обычно базируется на
принципе Гюйгенса — Френеля, сог-
согласно к-рому всякое звуковое ноле
можно рассматривать как результат
интерференции вторичных волн, из-
излучаемых фиктивными источниками
звука, расположенными на поверх-
поверхностях, охватывающих источники
звука и тела, обусловливающие Д. з.
Задача расчёта Д. з. сводится, т. о.,
к определению производительности
этих фиктивных источников, что, как
правило, удаётся выполнить только
приближённо, в результате чего при-
применимость этого метода расчёта ог-
ограничивается областями, где звуко-
звуковое поле не слишком мало (вне глу-
глубокой тени и т. п.).
При распространении приблизитель-
приблизительно плоских волн (радиус кривизны
фронтов велик по срав-
сравнению с длиной волны,
относительное измене-
изменение амплитуды вдоль
фронта мало на рас-
расстоянии длины волны)
дифракционные эффек-
эффекты могут быть рассчи-
рассчитаны как результат __
поперечной ДИффуЗИИ Падающий
амплитуды волны вдоль свет
фронта, происходящей
согласно обычному
ур-нию диффузии, но с
мнимым коэфф. диф-
диффузии.
Точно решить зада-
задачу о расчёте Д. з.
удаётся только в исключительных
случаях: известны точные решения
для Д. з. на полуплоскости и на кли-
клине с идеальными границами, на пило-
пилообразных решётках, на отверстии ци-
линдрич. трубы с тонкими стенка-
стенками, а также для Д. з. на сфере и др.
поверхностях 2-го порядка. С точны-
точными решениями можно сравнивать ре-
результаты расчёта Д. з. различными
приближёнными методами; они могут
использоваться также при оценке
дифракции на телах, форма к-рых
близка к форме тел, для к-рых име-
имеются точные решения.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959; X а й к и н С. Э .,
Физические основы механики, 2 изд., м.,
1971, §161; Хёнл X., Мауэ А.,
Бестпфаль К., Теория дифракции,
пер. с нем., М., 1964; Вайнштейн
Л. А., Дифракция электромагнитных и
ввуковых волн на открытом конце волново-
волновода, Ж., 1953. М. А. Исакович.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬ-
УЛЬТРАЗВУКЕ (акустооптиче-
ская дифракция) — совокуп-
совокупность явлений, связанных с откло-
отклонением от законов прямолинейного-
распространения света в среде в при-
присутствии УЗ-вон волны. В результате
периодич. изменения показателя пре-
преломления света п под действием зву-
звуковой волны в среде возникает струк-
структура, аналогичная дифракционной ре-
решётке, к-рая обладает периодичностью
УЗ-вой волны и движется вместе
с ней со скоростью звука. Если в та-
такой структуре распространяется пу-
пучок монохроматич. света, то в среде,
помимо основного, возникают пучки
отклонённого (дифрагированного) све-
света, характеристики к-рых — направ-
направление в пространстве, поляризация и.
¦D—
Звуковой
пучон
-,1"-ыО
порядок
Рис. 1. Схема дифракции света на
ультразвуке.
интенсивность — зависят от парамет-
параметров звукового поля (частоты и ин-
интенсивности УЗ, толщины звуковога
пучка D), а также от угла 6, под.
к-рым падает свет на звуковой пучок
(рис. 1).
Наблюдать Д. с. на у. можно, по-
посылая лазерный луч 1 (рис. 2) на об-
образец 2, в котором излучатель зву-
звука 3 возбуждает УЗ-вую волну. Лин-
Линза 4 собирает дифрагированный свет,
идущий по разным направлениям,,
в различных точках экрана 5. Если
излучатель УЗ выключен, на экране
видно световое пятно от проходящего
света. При включении УЗ справа и
слева от него появляются пятна, соз-
создаваемые дифрагированным светом
различных порядков (рис. 3). Поме-
Помещая вместо экрана диафрагму, мож-
можно выделить соответствующий поря-
порядок дифракции, интенсивность к-рого
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ
127
измеряется фотоприёмным устройст-
устройством 6. С помощью поляризационного
анализатора 7 можно выделить из
отклонённого излучения свет опре-
определённой поляризации. Таким спосо-
способом измеряют угловые, амплитудные
и поляризационные характеристики
дифрагированного излучения.
Сет
Свет
Рис. 2. Схема наблюдения дифракции
света на ультразвуке: I — акустоопти-
ческая, II — регистрирующая системы;
1 — луч лазера; 2 — образец; 3 — излу-
излучатель звука; 4 — линза; 5 — экран или
диафрагма; 6 — фотоприёмник; 7 — ана-
анализатор; 6ОТ — угол отклонения диф-
дифрагированного света от направления па-
падающего.
В результате Доплера эффекта при
рассеянии на движущейся решётке
возникает сдвиг частоты дифрагиро-
дифрагированного света: для та-го порядка
дифракции частота света
">m = »o±m2, A)
где щ — частота падающего света,
Q — частота звука, ыт — частота
дифрагированного света. Частота све-
света, отклонённого в стороцу распро-
распространения УЗ-вой волны, увеличи-
Рис. 3. Фотография, иллюстрирующая
дифракцию света на ультразвуке. Слева и
справа от центрального пятна видны три
порядка дифрагированного света.
вается [знак -f- в ф-ле A)], а откло-
отклонённого в противоположную сторону
[знак—], уменьшается. Непосредст-
иенное взаимодействие падающего
света со звуком обусловливает толь-
только 1-й порядок дифракции, а высшие
порядки появляются лишь в результа-
результате последующей дифракции на звуке
света, уже отклонённого в 1-й, 2-й
и т. д. порядки.
Интенсивность света в дифракци-
дифракционном максимуме определяется фа-
фазовыми сдвигами между волнами,,
приходящими в точку наблюдения
из всех точек объёма взаимодействия
(рис. 1).
В общем случае разность фаз
Аф ~?>/А,>1,
где к — длина волны света, поэтому эле-
электромагнитные волны, испускаемые
различными частями области взаимо-
взаимодействия, интерферируя, взаимно,
гасят друг друга. При произволь-
произвольном угле падения света 6 эффектив-
эффективность т]т Д. с. на у. мала (здесь
"Пт = Imllw Im — интенсивность,
света в m-м порядке дифракции,
/00 — интенсивность падающего све-
света). Однако при определённой гео-
геометрии взаимодействия, когда из-
излучение, идущее из различных то-
точек области взаимодействия в на-
направлении на m-й дифракционный
максимум, оказывается синфазным,,
значение цт возрастает на много по-
порядков — возникает явление т. н.
резонансной дифракции.
Это явление имеет место в первом диф-
дифракционном порядке, если выполня-
выполняется условие:
д ± Q
Аф| = \\Ь±К\
с/п
где к и К — волновой вектор света и
звука соответственно, с — скорость
света в вакууме, п — показатель
преломления для световой волны, L—
длина взаимодействия в направлении
на 1-й дифракционный максимум.
(рис. 1).
С квантовомеханич. точки зрения
резонансная дифракция представля-
представляет собой процесс поглощения (ис-
(испускания) акустич. фонона фотоном
и образования рассеянного фотона.
с частотой ш' и волновым вектором
к'. Условие резонансной дифракции
эквивалентно закону сохранения
энергии — импульса (т. н. условие
128
•синхронизма — см.
модействия):
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ
Нелинейные взаи-
взаиm-й дифракционный максимум выра-
выражается ф-лой:
= a>', k±K =
C)
/„ =
— L =
Поскольку частота света при рассея-
рассеянии практически не изменяется (т. к,
Q<co0), то в изотропной среде к'^к.
Условие возникновения и характер
резонансной Д. с. на у. зависят от
соотношения между длинами волн
света X и звука Л. Для низкоча-
низкочастотного звука, длина вол-
волны к-рого удовлетворяет условию
Я?/Л2< 1, резонансная дифракция име-
имеет место при нормальном падении
Звук
ш
где Jm — ф-ция Бесселя 1-го ро-
рода m-го порядка, /зв = рс* 5 '„ — ин-
интенсивность звука, р — плотность
материала, сзв — скорость звука
в нём, Sg -— амплитуда деформации
в звуковой волне, Хо — длина свето-
световой волны в вакууме. Величина
Волновой
фронт
р —
~3-ий порядок
~2-оО порядок
-1-ый порядок
Проходящий свет
+1-ый порядок
+2-ой порядок
+3-ий порядок
e0S
(где
и
дифракцш;
Ната.
света на звуковой пучок. Это т. н.
дифракция Рамана — Ната.
В этом случае световая волна прохо-
проходит сквозь звуковой пучок не отра-
отражаясь, а периодич. изменение п под
действием УЗ приводит к периодич.
изменению фазы прошедшем световой
волны. На выходе плоская волна
оказывается фазомодулированной: её
волновой фронт становится «гофри-
«гофрированным» (рис. 4). Такая волна
эквивалентна значительному числу
плоских волн, распространяющихся
под малыми углами к проходящему
световому пучку. Действительно, ус-
условие резонансной дифракции C) вы-
выполняется одновременно для большо-
большого числа порядков дифракции, и при
достаточной длине взаимодействия L
возникает многократное рассеяние
фотона на фононах. Соответственно
при выходе из области акустооптич.
взаимодействия световой луч разби-
разбивается на серию лучей с частотами
а% = а>т + mQ, т = 0,±1,..., иду-
идущих по различным направлениям,
определяемым соотношением:
sin 6 = тгеХ/А.
Интенсивность излучения света в
8 — диэлектрическая
проницаемость невоз-
невозмущённой и возмущён-
возмущённой среды соответст-
соответственно, S — деформация
среды) наз. у п р у-
гооптической
постоянной ма-
материала, или и о-
стоянной Пок-
к е л ь с а, а величина
М2= р2ге6/ре3звназ. акустооптиче-
ским качеством материала и
является основной характеристикой
его акустооптич. свойств. При доста-
достаточной длине взаимодействия L и ин-
интенсивности звука 1ЗВ амплитуда ди-
дифрагированного света сравнивается
с амплитудой падающего. С увели-
увеличением длины L (равной в этом слу-
случае толщине звукового пучка D) или
амплитуды деформации So интенсивно-
интенсивности как проходящего света, так и све-
света, отклонённого в различные порядки
дифракции, осциллируют (рис. 5), при-
причём амплитуда осцилляции постепен-
постепенно уменьшается, т. к. энергия падаю-
падающего излучения распределяется среди
всё возрастающего числа дифракци-
дифракционных максимумов.
Резонансная дифракция света на
высокочастотном звуке,
длина волны к-рого удовлетворяет
условию Я?/Л2>1, наз. б р э г г о в-
ской дифракцией. Она воз-
возникает, если свет падает на звуковой
под определённым углом 6
а), т. н. углом Брэгга:
0б = arcsin f-=- — \ . E)
В этом случае отклонение света
происходит только в 1-й порядок диф-
пучок
(рис. 6,
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ
129
ракции. Объяснить дифракцию Брэг-
Брэгга можно тем, что падающая под уг-
углом к звуковой решётке световая вол-
волна частично отражается от неё (рис.
С, б) и интерференция отражённых лу-
L.S,
Рис. 5. Зависимость интенсивности света,
отклонённого в различные порядки при
дифракции Рамана — Ната от длины взаи-
взаимодействия L или амплитуды деформации
So в звуковой волне.
чей определяет интенсивность диф-
дифрагированного света: она максималь-
максимальна, если разность оптич. хода Д
световых волн, отражённых от сосед-
соседних максимумов деформации среды,
удовлетворяет условию: Д = 2Asin0=
=Х, т. е. условию Брэгга. Интерферен-
Интерференционная картина, однако, возникает
2 Л sin &
Рис. в. а — схема
дифракции Брэг-
Брэгга: 1 — проходя-
проходящий свет; 2 —
дифрагированный
свет; б — схема
отражения свето-
световых лучей от максимумов деформации в
звуковой волне; Д — разность фаз отра-
отражённых лучей.
лишь в том случае, если пучки, от-
отражённые от соседних максимумов
звуковой волны, пересекаются, т. е.
выполняется условие:
A/L sin 0б = 2A2/ZA < 1.
В зависимости от того, какой угол—
тупой или острый образует волно-
волновой вектор света с направлением рас-
распространения звуковой волны, час-
частота дифрагированного света равна
со 4- Q (-|- 1-й порядок дифракции)
либо со — Q (—1-й порядок). Этот
процесс можно представить как рас-
рассеяние фотона на фононе, при к-ром
соблюдается закон сохранения энер-
энергии и импульса C). При этом знак —
соответствует испусканию фонона, а
знак -J- поглощению. Дифрагирован-
Дифрагированный луч выходит из звукового пучка
под углом рассеяния 0'; в изотроп-
изотропной среде 6' = 0в . Для данной дли-
длины световой волны Я существует пре-
предельная звуковая частота Qnp =
=4ясзвЛ,, выше которой брэгговская
дифракция невозможна. Эта частота
' отвечает случаю рассеяния света точно
в обратном направлении.
Энергия падающего светового излу-
излучения распределяется между прохо-
проходящим и дифрагированным лучами.
Интенсивность дифрагированного све-
света /j при брэгговской дифракции
возрастает с увеличением интенсив-
интенсивности звука /зв и длины взаимодей-
взаимодействия L — D/cos Об до тех пор, пока
весь падающий световой поток не
окажется дифрагированным. При даль-
дальнейшем увеличении /зв (или толщины
звукового пучка D) часть отклонённого
света, вновь дифрагируя на звуковой
решётке, выходит из акустич. пучка
по направлению падающего излуче-
излучения. В результате возникает перио-
дич. зависимость интенсивности про-
проходящего /0 и дифрагированного /г
света от /зв и L:
Т") • F>
Дифракция света на
УЗ в анизотропной сре-
среде. В анизотропных средах взаимодей-
взаимодействовать со звуком может не только
обыкновенный луч, подчиняющийся
обычным законам оптики изотропных
сред, но и необыкновенный, показа-
показатель преломления к-рого зависит от
направления распространения света
относительно оптич. оси кристалла.
Упругооптич. эффект при определён-
определённых условиях приводит к тому, что
дифрагированный свет, возникающий
в результате взаимодействия со зву-
звуком обыкновенного луча, оказывается
необыкновенным, и наоборот. Гео-
метрич. условия Д. с. на у. в этом
случае из-за различия фазовых ско-
130
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ
ростей (показателей преломления) па-
падающей и рассеянной световых волн
отличаются от приведённых выше для
изотропных сред.
В анизотропной среде свет с разной
поляризацией имеет различные ско-
скорости распространения. Поэтому усло-
условия C) резонансной дифракции, оп-
определяющие геометрию акустооптич.
взаимодействия, будут выполняться
, при различ-
вБ,в ных углах па-
падения света
в зависимости
от того, сох-
сохраняет диф-
Рис. 7. Зависи-
Зависимость угла Брэг-
Брэгга 0в и угла ди-
дифракции 9' от
частоты / зву-
звуковой волны при
анизотропной
дифракции для
случая По > Щ¦
Пунктиром по-
показана зависи-
зависимость 0б(/) в
изотропной
среде.
рагированный свет поляризацию па-
дающего' или нет. Если поляризация
не меняется, то угол Брэгга 9б по-
прежнему определяется выражением
D), а угол рассеяния 0' = 9в. Диф-
Дифракция с изменением плоскости по-
поляризации (т. н. анизотропная диф-
дифракция) имеет место, когда свет па-
падает под углом 0в , равным
0Б = arcsini
К
2n0 L л
. G)
где п0 — показатель преломления па-
падающего света, щ — дифрагирован-
дифрагированного. Угол рассеяния 0' при анизо-
анизотропной дифракции уже не равен брэг-
говскому, а равен
' = arcsin
и меняется в пределах от —л/2 до
+ я/2 (рис. 7). Анизотропную дифрак-
дифракцию можно рассматривать как частич-
частичное отражение световой волны от зву-
звуковой решётки, происходящее с из-
изменением поляризации света.
Основные особенности анизотроп-
анизотропной дифракции заключаются в сле-
следующем. 1) При неизменном угле
падения света на акустич. пучок диф-
дифракция имеет место при двух различ-
различных значениях частоты звука. Этим
значениям соответствуют различные
углы отклонения от направления рас-
распространения падающей световой вол-
волны (рис. 8). 2) Если плоскость рас-
рассеяния не проходит через оптич. ось
кристалла, то существует минималь-
минимальное значение частоты звука /ш;п =
^—1по — reih ниже к-рого анизотроп-
Ао
ная дифракция невозможна (рис. 7).
3) Если показатель преломления щ
падающей волны больше показателя
ni рассеянной (па^>п-^, то существует
минимальное значение угла падения:
0mln=arcsin]/^^,
при к-ром анизотропная дифракция
ещё наблюдается. Если свет падает
на звуковой пучок под углом 9mjn,
то дифракция с поворотом плоскости
поляризации наблюдается при зву-
звуковой частоте
/i = -^-У 2по(по — пг).
При изменении акустич. частоты
вблизи этого значения брэгговский
угол меняется незначительно, в то
время как изменения угла рассеяния
9' существенны. Дифрагированный
Рие. 8. а — схема дифракции Брэгга
в анизотропной среде с поворотом плоско-
плоскости поляризации: О — падающий луч
света; 1 и 2 — дифрагированные лучи,
соответствующие двум различным часто-
частотам звука. Направления электрических ко-
колебаний световых волн указаны на лучах
стрелками (колебания в плоскости рисун-
рисунка) и точками в кружках (колебания,
перпендикулярные плоскости рисунка);
б — векторная диаграмма.
луч при 0 = 0mjn выходит из области
дифракции под прямым углом к
направлению распространения звука
(рис. 9). Если же П]>и0, то анизо-
анизотропная дифракция имеет место при
любых углах падения света, однако
ДИЭЛЕКТРИКИ
131
возможные значения 0' ограничены
снизу, т. е.
Наименьшее значение угла рассея-
рассеяния соответствует нормальному паде-
Рис. 9. а — схема анизотропной дифрак-
дифракции для случая предельного угла падения
света на звуковой пучок при по>щ; б —
векторная диаграмма.
нию света на акустич. пучок (рис. 10).
5) Возможна коллинеарная дифрак-
дифракция, при к-рой направления распро-
распространения падающего и дифрагиро-
Рис. 10. а —схема анизотропной дифракции
при no<nr, б— векторная диаграмма.
Ряс. 11. а—схема анизотропной колли-
неарной дифракции; б — векторная ди-
диаграмма; векторы К, к и к' — коллине-
арны.
ванного света совпадают (рис. 11).
Она имеет место, если частота звука
равна /min.
Применение акустооп-
тической дифракции. Д. с.
на у. позволяет определять по из-
изменению интенсивности света в ди-
дифракционных спектрах характеристи-
характеристики звукового поля (звуковое давление,
интенсивность звука и т. п.), прак-
практически не возмущая поля. С помо-
помощью Д. с. на у. измеряют поглощение
и скорость ультразвука в диапазоне
частот от нескольких МГц до несколь-
нескольких ГГц (в жидкостях) и до несколь-
нескольких десятков ГГц (в твёрдых телах),
модули упругости 2-го и 3-го поряд-
порядков, упругооптич. и магнитоупругие
свойства материалов. Возможность
спектрального анализа звукового сиг-
сигнала акустооптич. методами позво-
позволяет исследовать отклонение формы
профиля звуковой волны от синусои-
синусоидальной из-за нелинейных искажений
(см. Нелинейные эффекты). Для низ-
низкочастотного звука такое отклонение
связано с асимметрией в интенсив-
ностях спектров положительных и
отрицательных порядков при дифрак-
дифракции Рамана—Ната. В случае высоко-
высокочастотного звука нелинейные эффек-
эффекты проявляются в появлении дифрак-
дифракционных максимумов 2-го и более
высоких порядков при брэгговской
Дифракции. Д. с. на у. применяется
для модуляции и отклонения света,
в различных устройствах акустоопти-
ки (в модуляторах света, дефлекто-
дефлекторах, фильтрах). Широко использует-
используется Д. с. на у. при оптико-акустич. об-
обработке сигналов, для приёма сигна-
сигналов в УЗ-вых линиях задержки и др.
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона и Р. Терстона, пер. с англ., т. 7,
М., 1974, гл. 5; Т а к е р Д ж., Р э м п-
тон В., Гиперзвук в физике твердого те-
тела, М., 1975; Г у л я е в Ю. В., Прок-
Проклов Б. В., Шкердин Г. Н., «Ус-
«Успехи физ. наук», 1978, т. 124, в. 1, с. 61 —
111; Леманов В. В., III а к и н О, В.,
«Письма в ЖЭТФ», 1971, т. 13, с. 549—53;
Klein W. R., С о о к В. D., «Trans.
IEEE — Sonics and Ultrasonics», 1967,
v. 14, M 3, p. 123—34. В. М. Левин.
ДИЭЛЕКТРИКИ (изолято-
(изоляторы) — вещества, обладающие очень
большим удельным сопротивлением,
по к-рым практически не может
течь постоянный электрич. ток. Удель-
Удельное сопротивление Д. лежит в пре-
пределах 1014—1022 0м-см. Напр., для
алмаза оно равно 1012 Ом-см, для
стекла — 1014 Ом-см, для кварца —
1,2-10" Ом.см.
Под действием электрического поля
атомы и молекулы диэлектриков
132
ДЛИНА ВОЛНЫ
поляризуются, и возникает внутрен-
внутренний дипольный момент, или поля-
поляризация Р, пропорциональная на-
напряжённости электрического поля Е:
Р = -?—Е = у.Е, где е — диэлектрич.
е— *
проницаемость вещества, а«= -г-1—
диэлектрич. восприимчивость. В Д.
длительное время могут существо-
существовать большие напряжённости элек-
трич. поля (вплоть до 10' В/см).
Для каждого Д. существует предель-
предельное значение напряжённости, т. н.
электрич. прочность ?пр, при превы-
превышении к-рого возникает пробой:
сопротивление Д. резко падает, и он
становится проводником. Для воздуха
?пр — 3-Ю4 В/см, для полистирола
~ 106 В/см, для резины ~ A—2)-10е
В/см, для титанатов @,2—1,2)- 10е
В/см.
Д. могут быть газообразными, жид-
жидкими и твёрдыми. В нек-рых Д.
внутренний дипольный момент может
возникать и без приложения внешне-
внешнего поля в процессе кристаллизации —
т. н. спонтанная поляризация (см.
Пироэлектричество, Сегнетоэлектри-
чество).
В Д., помещённом в электрич. поле,
возникают объёмные силы, зависящие
от ?2,— эффект электрострикции.
В ионных кристаллах, не обладающих
центром симметрии, упругая дефор-
деформация приводит к возникновению
электрич. поляризации, т. е. имеет
место пьезоэффект (см. Пьезоэлектри-
Пьезоэлектричество). А. Л. Полякова.
ДЛИНА ВОЛНЫ — кратчайшее рас-
расстояние между двумя последователь-
последовательными фронтами волны, находящимися
в одинаковой фазе колебаний. Д. в.
наз. пространственным периодом вол-
волны. Она связана с периодом колеба-
колебания Т и скоростью с распростра-
распространения волны соотношением X = сТ,
а с волновым числом к соотношением
X = 2л/к.
ДОБРОТНОСТЬ — количественная
характеристика резонансных свойств
колебательных систем, указывающая,
но сколько раз амплитуда вынуж-
вынужденных колебаний при резонансе пре-
превышает амплитуду вынужденных ко-
колебаний на частоте много ниже
резонансной при одинаковой ампли-
амплитуде вынуждающей силы. Д. равна
отношению собственной частоты ш
резонансной системы к ширине Дсо
частотной полосы, на границах к-рой
энергия системы при вынужденных
колебаниях вдвое меньше энергии
на резонансной частоте. Д. Q связана
с временным коэфф. затухания по
амплитуде а, с логарифмич. декре-
декрементом затухания свободных колеба-
колебаний я и с числом N циклов колеба-
колебаний, по совершении которых ампли-
амплитуда свободных колебаний спадает
в е раз, соотношениями: Q = ш/2а =
= л/я = nN. Для колебательной си-
системы с сосредоточенными параметра-
параметрами, эквивалентной пружине с гру-
грузом, Q =ытп/ц = К1юг\ = ^/Кт/х\, где
К — коэфф. упругости пружины,
т — масса груза и т| — коэфф. тре-
трения. Для одномерной распреде-
распределённой колебательной системы дли-
длины L (тонкий стержень, труба, за-
заполненная жидкостью или газом),
характеризуемой погонной плотностью
р и скоростью звука с и нагруженной
с одного конца активным удельным
механич. сопротивлением Я < рс, Д.
выражается ф-лой
Q = pckL/2R = pb>L/2R,
где к — волновое число звука.
В обобщённом смысле понятием Д.
пользуются для характеристики за-
затухания бегущих плоских волн в ве-
веществе, определяя её как отношение
Q = к/26, где б — пространственный
коэфф. затухания плоских волн по
амплитуде. Такую Д. имеет также
стержень, совершающий свободные
продольные колебания с данной часто-
частотой (напр., полуволновый стержень).
Д. определяется не только погло-
поглощением звука, т. е. внутренними по-
потерями в веществе данной колеба-
колебательной системы, но и излучением зву-
звука в окружающую среду, на к-рое
также расходуется энергия колеба-
колебательной системы (внешние потери).
Пусть Д., обусловленные внутренни-
внутренними и внешними потерями в отдель-
отдельности, равны соответственно Qt и Q%.
Тогда Д. Q при одновременном дейст-
действии обоих факторов определится из
ф-лы: UQ = i/Q1 + 1/С2.
В зависимости от назначения той
или иной колебательной системы стре-
стремятся получить либо высокое, либо
низкое значение Д. Так, при исполь-
использовании резонансных колебательных
систем для стабилизации частоты стре-
стремятся повысить Д., для чего применя-
применяют кристаллич. резонаторы с малыми
ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ
133
внутренними потерями (напр., плас-
пластинки пьезокварца) и устраняют внеш-
внешние потери, помещая резонатор в ва-
вакуум; это позволяет достигнуть Д.
~ 10'—10s. Устройства, предназначен-
предназначенные для излучения звука в среду,
особенно в плотную среду (напри-
(например, гидроакустические излучатели,
излучатели в УЗ-вых дефектоско-
дефектоскопах), имеют сравнительно малую Д.
ввиду больших внешних потерь на
излучение. Для обеспечения широкой
равномерной частотной характерис-
характеристики излучения или приёма, позволя-
позволяющей воспроизводить без искажений
электрич. сигнал на акустич. стороне
(в излучателях) или акустич. сигнал
на электрич. стороне (в приёмниках),
Д. должна быть невелика (< 10).
В излучателях УЗ-вых ванн (см.
Очистка), где стремятся к возможно
большему излучению энергий в жид-
жидкость, Д. также имеет небольшую
величину (~10—20). В слабо нагру-
нагруженных УЗ-вых инструментах, снаб-
снабжённых концентраторами, получают
высокие значения Д. (—100—1000),
позволяющие достигнуть больших
амплитуд смещения рабочего конца
инструмента. С этой целью концент-
концентраторы изготовляют из материалов
с малыми внутренними потерями.
Значения добротности неко-
некоторых материалов, используе-
используемых для изготовления У 3-в ы х
колебательных систем
(для частоты 20 кГц)
Материал
Сталь 45 ..
Сталь
25ХНВА
Титан ВТ1
Титановый
сплав
ВТЗ-1 . .
Титановый
сплав
ВТ4 . . .
Медь М2 . .
Латунь Л59
Доброт-
Добротность
8 000
6 300
22 000
21 000
16 000
6 300
13 000
Материал
Алюминие-
Алюминиевый сплав
АМг . . .
Сталь
ЗОХГСА
Пьезокварц
Пьезокера-
мика
ЦТБС-3
Никель . .
Пермендюр
Феррит. . .
Доброт-
Добротность
10 000
10 000
20 000
350
~- 100
~ 150
~ 350
Приведённые в таблице значения Д.
пьезоэлектрич. и магнитострикциои-
ных материалов, сильно зависящие
от амплитуды колебаний, соответст-
соответствуют амплитуде механич. напряжений
порядка 100 кгс/см2. Термич. обра-
обработка позволяет повысить Д. нек-рых
металлич. веществ примерно вдвое.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959; Стрелкове. П.,
Введение в теорию колебаний, 2 изд., М.,
1964; Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957. М. А. Исакович.
ДОМЕНЫ. 1) Ферромагнит-
Ферромагнитные Д. (области самопроизвольной
намагниченности) — намагниченные до
насыщения части объёма ферро-
ферромагнетика, на к-рые он разбивается
при темп-pax ниже Кюри точки.
Векторы намагниченности Д. в от-
отсутствии внешнего магнитного поля
ориентированы по т. н. направлениям
легчайшего намагничивания, опреде-
определяемым симметрией кристалла, так
что результирующая намагниченность
ферромагнитного образца в целом,
как правило, равна нулю. Линейные
размеры Д. 10 — 10~2 см. 2) С е г-
нетоэлектрические Д. —
области однородной спонтанной (само-
(самопроизвольной) поляризации в сегне-
тоэлектриках. В соседних Д. направ-
направление вектора спонтанной поляриза-
поляризации различно, а величина его одинако-
одинакова. Линейные размеры Д-. обычно
10 см.
Доменная структура зависит от раз-
размеров и формы образца, наличия
неоднородностей и дефектов в крис-
кристалле, а также от симметрии кристал-
кристалла, к-рая определяет число возмож-
возможных направлений спонтанной поля-
поляризации (намагниченности). Между
Д. имеются переходные слои конеч-
конечной толщины — 10~7—10~5 см, где
поляризация (намагниченность) не-
непрерывно меняет своё направление.
ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ — изменение
частоты принимаемого звука при дви-
движении относительно среды источни-
источника или приёмника звука или тела,
рассеивающего звук. В отличие от
Д. э. для электромагнитных волн,
обусловленного только относительным
движением источника и приёмника,
изменения частоты акустич. волны при
движении источника и приёмника раз-
различны. При движении источника изме-
изменённая частота ш' связана с частотой
излучения (о ф-лой:
ш' = и) ,
1 — cos 9
с
где ии — скорость источника, с — ско-
скорость звука в среде, 6 — угол между
направлением скорости источника и
направлением от источника к приём-
134
ЗАРОДЫШИ КАВИТАЦИИ
нику (рис. а). При движении приём-
приёмника изменённая частота равна:
и/ = О) A — COS 01 ,
Где vu — скорость приёмника, а 6 —
угол между направлением скорости
приёмника и направлением от источ-
„ ника к приёмни-
приёмнику (рис. б). При
однов ременном
(9
Схема эффекта Доплера: а — для движения
источника звука; б — для движения при-
приёмника звука; в — для движения рассеи-
рассеивающего тела; И — источник звука; П —
приёмник звука; Р — рассеивающее тело.
движении и источника и приёмника
изменённая частота равна:
1 — — cose
с
При приёме неподвижным приём-
приёмником звука, рассеянного движущим-
движущимся телом, изменённая частота при-
принимаемой рассеянной волны равна:
i-lpcose
со' = со ,
1>р — скорость тела, 6 и 6 — углы
между направлением скорости тела
и соответственно направлением паде-
падения первичной волны на тело и на-
направлением от тела к приёмнику
(рис. в).
Д. э. при движении источника звука
обусловлен изменением длины волны
в среде, при движении приёмника —
изменением скорости звука в системе
координат, связанной с приёмником,
а при рассеянии движущимся телом —
обоими факторами.
Д. э. можно считать также измене-
изменение частоты звука при отражении и
прохождении через границу между
двумя средами, к-рая движется отно-
относительно самих сред, остающихся не-
неподвижными, напр, при прохождении
звука через фронт ударной волны
в газе (характеристики газа по обе
стороны фронта различны) или при
распространении звука вдоль час-
частично погружённого в жидкость
стержня в процессе изменения уровня
жидкости (акустич. свойства погру-
погружённой части стержня изменяются
под влиянием реакции окружающей
жидкости). При нормальном падении
волны частоты ш на движущуюся гра-
границу раздела частоты ш' и ш" отра-
отражённой и прошедшей волн равны:
1 +
где (о — частота первичной волны,
падающей на рассеивающее тело,
1 — V/Ci '
где г; — скорость границы (положи-
(положительной считается скорость в направ-
направлении падения волны), а с1 и с2 — ско-
скорости звука в первой и во второй сре-
средах. На величине коэффициентов отра-
отражения и прохождения движение гра-
границы раздела сред не сказывается.
Лит.: Исакович М. А., Общая аку-
акустика, М., 1973. М. А. Исакович.
3
ЗАРОДЫШИ КАВИТАЦИИ — при- включений, содержащихся в трещи-
меси в жидкости в виде мель- нах на поверхности твёрдых тел,—
чайших пузырьков, плохо смачивав- те «слабые» места, где происходит
мых частиц твёрдых тел, газовых нарушение сплошности жидкости при
ЗВУКОВИЗОР '
135
понижении давления в ней, в резуль-
результате чего возникает кавитация. Свой-
Свойства 3. к. и их количество опреде-
определяют порог кавитации, а их измен-
изменчивость приводит к тому, что порог
кавитации оказывается зависящим не
ТОЛЬКО ОТ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ, НО И ОТ
вида возмущения, вызывающего ка-
кавитацию. Исследование механизмов
роста 3. к. представляет собой весьма
важную задачу как для разработки
способов предсказания порога кави-
кавитации, так и для управления им.
Лит.: П е р н и к А. Д., Проблемы
кавитации, 2 изд., Л., 1966.
ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА — уменьше-
уменьшение амплитуды и, следовательно, ин-
интенсивности звуковой волны по мере
её распространения. 3. з. происходит
из-за ряда причин. Основными из
них являются: убывание амплитуды
волны с расстоянием от источника,
обусловленное формой и волновыми
размерами источника (т. н. расхож-
расхождение волны — см. Звуковое поле),
рассеяние звука на неоднородно-
стях среды, в результате чего умень-
уменьшается поток энергии в первоначаль-
первоначальном направлении распространения, не-
необратимый переход энергии звуковой
волны в другие формы, в частности
в тепло, т. е. поглощение звука.
Первая из этих причин связана
с тем, что по мере распространения
волны от точечного или сферич. ис-
источника энергия, излучаемая источ-
источником, распределяется на всё увели-
увеличивающуюся поверхность волнового
фронта и соответственно уменьшается
поток энергии через единицу поверх-
поверхности, т. е. интенсивность звука. Для
сферич. волны," волновая поверхность
к-рой растёт с расстоянием г от источ-
источника как г2, амплитуда волны убы-
убывает пропорционально г, а для ци-
линдрич. волны — пропорционально
г/..
Рассеяние звука происходит из-за
резкого изменения свойств среды —
её плотности и модулей упругости —
на границе неоднородностей, размеры
к-рых сравнимы с длиной волны.
В газах это могут быть, напр., жид-
жидкие капли, в водной среде — пузырь-
пузырьки воздуха, в твёрдых телах — раз-
различные инородные включения или
отдельные кристаллиты в поликрис-
поликристаллах и т. п. Особый интерес пред-
представляет рассеяние на хаотически рас-
распределённых в пространстве неодно-
родностях. Подробнее см. Рассеяние
звука.
Поглощение звука может быть обус-
обусловлено различными механизмами.
Большую роль играет вязкость и
теплопроводность среды, взаимодейст-
взаимодействие волны с различными молекуляр-
молекулярными процессами вещества, с тепло-
тепловыми колебаниями кристаллич. ре-
решётки и др. 3. з., обусловленное рас-
рассеянием и поглощением, описывается
экспоненциальным законом убывания
амплитуды с расстоянием, т. е. ампли-
амплитуда пропорциональна е—6г, а интен-
интенсивность — е—26rt в отличие от степен-
степенного закона убывания амплитуды при
расхождении волны. Коэфф. 3. з. б
выражается в единицах см или
в логарифмич. единицах Нп/см или
дБ/см.
ЗВУКОВИЗОР — устройство для по-
получения изображения предметов при
помощи УЗ-вых волн с использованием
акустоэлектронного преобразователя,
позволяющего акустич. изображение
в форме пространственного распре-
распределения звукового давления предста-
представить в виде оптич. изображения на
экране приёмной электроннолучевой
трубки — кинескопа. В состав 3. вхо-
входит (рис. 1) кювета 1, заполненная
жидкостью (обычно водой), куда по-
помещают исследуемый объект 2, к-рый
облучается УЗ-вым излучателем 3
(при работе в проходящих волнах)
или излучателем 3' (при работе в отра-
отражённых волнах). При помощи двух-
линзового объектива, состоящего из
акустич. линз 4 и 5, в плоскости
акустоэлектронного преобразовате-
преобразователя 6 формируется акустич. изображе-
изображение в виде распределения звукового
давления, т. н. звукового рельефа.
Приёмным элементом преобразовате-
преобразователя 6 служит пьезоэлектрич. пластина
7 из пьезокварца или пьезокерамики,
передняя сторона к-рой покрыта ме-
таллич. электродом 8 с заземлением
9, а задняя сторона притёрта к стек-
стеклянной пластине 10 с впаянными
в неё металлич. выводами диаметром
0,15 мм в количестве — 1000 штук
на 1 см2. Такая конструкция позво-
позволяет создать необходимый вакуум
внутри преобразователя 6 при сохра-
сохранении высокой его чувствительности
к звуковому давлению. Под влиянием
УЗ-вой волны, несущей изображение
объекта, пьезопластина 7 колеблется
по толщине на резонансной частоте,
136
ЗВУКОВИЗОР
что приводит к образованию зарядов
переменного знака на внутренней её
стороне. Посредством металлич. элект-
электродов в пластине 10 эти заряды посту-
поступают на её внутреннюю поверхность
11. Остальная часть преобразователя
па по сравнению с размерами кадра
преобразователя. Однако поскольку
разрешающая способность обратно
пропорциональна длине УЗ-вой вол-
волны и при таком преобразовании кад-
кадров не возрастает, то фактически
Рис. 1. Схема устройства звуковизора.
6 устроена и работает как обычная
электроннолучевая трубка. В стек-
стеклянном корпусе 12 помещена элект-
электронная пушка 13, создающая элект-
электронный луч 14. Последний с поверх-
поверхности 11, являющейся мишенью, выби-
выбивает вторичные электроны, собирае-
собираемые коллектором 15. Рельеф потен-
потенциала на поверхности 11, соответст-
соответствующий звуковому давлению в падаю-
падающей волне, изменяет условия вторич-
вторичной электронной эмиссии, создавая
тем самым амплитудную модуляцию
тока коллектора, подаваемого при
помощи электрода 16 во входную
цепь усилителя 17. После усиления
по несущей частоте, демодуляции
в устройстве 18 и усиления по низкой
частоте в устройстве 19 сигнал посту-
поступает на модулятор кинескопа 20.
В преобразователе 6 и кинескопе 20
осуществляется синхронное переме-
перемещение электронных лучей при помо-
помощи генераторов строчной развёртки
21 и кадровой развёртки 22.
Акустоэлектронный преобразова-
преобразователь описанной конструкции наз.
«Уникон» — универсальный конвер-
конвертер, поскольку он обладает способ-
способностью преобразовывать электрич.
рельеф в электрич. сигнал вне зави-
зависимости от причин, вызвавших появ-
появление этого рельефа: звукового дав-
давления, инфракрасного излучения, рас-
распределения зарядов в. электролите
и т. п.
Первоначально 3. был назван
УЗ-вым микроскопом вследствие воз-
возможности получать на экране увели-
увеличенное изображение объекта путём
увеличения размеров кадра кинеско-
полезного увеличения прибор по даёт.
Этим он существенно отличается от
оптич. микроскопов и от микроскопа
акустического. Разрешающая способ-
способность УЗ-вого микроскопа, работаю-
работающего на частоте 10 МГц, приблизи-
приблизительно в 1000 раз ниже разрешающей
способности оптич. микроскопа.
3. находит применение при полу-
получении изображений в непрозрачных
средах, напр, в системах звуковиде-
ния, предназначенных для водоёмов
с мутной водой, в приборах УЗ-вой
дефектоскопии. Наиболее перспектив-
перспективно применение 3. в приборах меди-
медицинской УЗ-вой диагностики, где они
позволяют рассматривать неоднород-
неоднородности в мягких тканях (рис. 2), невиди-
невидимые в рентгеновских лучах из-за малой
контрастности.
По чувствительности метод с исполь-
использованием 3. превосходит все извест-
Рис. 2. Фотография изолированной ба-
бараньей почки с почечным камнем разме-
размером 2 мм, полученная при помощи зву-
звуковизора, работающего на частоте 4 МГц
с интенсивностью 10~2 Вт/см2 при развёрт-
развёртке в 80 строк: а — камень в виде тёмного
пятна (указан стрелкой) при работе в про-
проходящих волнах; б — тот же почечный
камень в виде светлого пятна при работе
в отражённых волнах.
ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ
137
ные методы визуализации звуковых по-
полей и по порядку величины достигает
10-" Вт/см2.
Лит.: Соколов С. Я., Ультразву-
Ультразвуковой микроскоп, «Докл. АН СССР», 1949,
т. 64, М 3; Шрайбер Д. С, Ультра-
Ультразвуковая дефектоскопия, М., 1965, с. 117—
121; Р о з е н б е р г Л. Д. и др., «Акуст.
ж.», 1965, т. И, JV« 4, с. 438—41; Канев-
Каневский И. Н., Фокусирование звуковых
и ультразвуковых волн, М., 1977.
Я. Н. Каневский.
ЗВУКОВОЕ ДАВЛЕНИЕ — перемен-
переменная часть давления, возникающая
в среде при прохождении звуковой
волны: образующиеся в среде сгу-
сгущения и разрежения создают доба-
добавочные изменения давления ко отно-
отношению к среднему внешнему (стати-
(статическому) давлению.
Часто пользуются понятием э ф-
фективного (действующего) зна-
значения 3. д., т. к. именно эту величину
обычно измеряют в опыте. Эффектив-
Эффективное 3. д. равно квадратному корню
из среднего значения квадрата мгно-
мгновенного 3. д. в заданной неподвижной
точке пространства за соответствую-
соответствующий интервал времени (под мгно-
мгновенным З.д. понимается полное
давление в какой-то момент времени
в данной точке за вычетом статич.
давления в той же точке). Если
3. д. меняется периодически, то вре-
временной интервал усреднения должен
быть равен целому числу периодов
или значительно превышать период.
В синусоидальщй звуковой волне эф-
эффективное 3. д. рэ связано с ампли-
амплитудой р0 3. д. выражением:
А. = РоП/2.
3. д.— одна из главных вели-
величин, характеризующих звуковое поле.
В плоской звуковой волне между
3. д. р, колебательной скоростью час-
частиц v и удельным акустич. сопротив-
сопротивлением рс (см. Импеданс акустический)
имеет место соотношение: р = vpc
(где р — плотность среды, с — ско-
скорость звука в среде). Единицей изме-
измерения 3. д. в системе СИ служит
1Па = 1 Н/ма; в системе СГС единица
3. д. 1 бар = 1 дин/см2 = 1(Гг Па;
иногда 3. д. измеряют в атмосферах
A атм = 106 бар).
Часто пользуются понятием уровня
звукового давления. Данное выше опре-
определение 3. д. относится к случаю рас-
распространения звука в газах и жидко-
жидкостях, где имеются только нормаль-
нормальные силы к любым выделенным пло-
площадкам в среде, т. е. давление.
Для изотропных твёрдых тел поня-
понятие давления применимо только в слу-
случае всестороннего растяжения и сжа-
сжатия. В общем же случае произвольной
деформации напряжённое состояние
тела уже нельзя охарактеризовать
одной скалярной величиной — дав-
давлением — и приходится пользоваться
понятием тензора упругих напряже-
напряжений (см. Упругие волны).
При работе с УЗ имеют дело с 3. д.
от величин ~ Ю-4 Па до 108—109 Па
(напр., в фокусе УЗ-вых концентра-
концентраторов). Для измерения 3. д. приме-
применяют различные измерительные при-
приёмники УЗ, ГЛ. обр. пьезоэлектриче-
пьезоэлектрические преобразователи. На частотах,
близких к гиперзвуковым, пользуют-
пользуются пъезополу проводниковыми преобра-
преобразователями и плёночными преобра-
преобразователями. В жидкостях при боль-
больших интенсивностях УЗ применяют
радиометр, на высоких частотах —
термические приёмники звука. Одним
из эталонных методов измерения 3. д.
служит метод, использующий Рэлея
диск, позволяющий определять ко-
колебательную скорость, по величине
к-рой вычисляется значение 3. д.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
М., 1956; Красильников В. А.,
Звуковые и ультразвуковые волны, 3 изд.,
М., 1960. В. А. Нрасилънипов.
ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ — совокупность
пространственно-временных распреде-
распределений величин, характеризующих
рассматриваемое звуковое возмуще-
возмущение. Важнейшие из них: звуко-
звуковое давление р, колебательная ско-
скорость частиц V, колебательное смеще-
смещение частиц ?, относительное измене-
изменение плотности (т. н. акустич. сжатие)
s = бр/р (где р — плотность среды),
адиабатич. изменение темп-ры б Т, со-
сопровождающее сжатия и разрежения
среды. При введении понятия «3. п.»
среду рассматривают как сплошную
и молекулярное строение вещества
во внимание не принимают. 3. п.
изучают либо методами геометрической
акустики, либо на основе теории
волн.
При достаточно гладкой зависимо-
зависимости величин, характеризующих 3. п.,
от координат и времени (т. е. при от-
отсутствии скачков давления и колеба-
колебательной скорости от точки к точке)
все эти величины оказываются сильно
связанными друг с другом: задание
пространственно-временной зависимо-
138
ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ
сти одной из них (напр., звукового
давления) полностью определяет про-
пространственно-временные зависимости
всех остальных. Эти зависимости
определяются ур-ниями 3. п., к-рые
в отсутствии дисперсии скорости звука
сводятся к волновому ур-нию для
каждой из величин и ур-ниям,
связывающим эти величины меж-
между собой. Напр., звуковое давле-
давление удовлетворяет волновому ур-нию
1 д'р
Ар — — —- = О, а при известном
звуковом давлении можно определить
остальные характеристики 3. п. по
ф-лам:
v = grad Г pdt;
р j
где с — скорость звука, у = CplCy —
отношение теплоёмкости при постоян-
постоянном давлении к теплоёмкости при
постоянном объёме, а — коэфф. объ-
объёмного теплового расширения сре-
среды. Для гармонич. 3. п. волновое
ур-ние переходит в ур-ние Гельм-
гольца: Др + №р = 0, где к =ш/с —
волновое число для частоты ш, а вы-
выражения для скорости и смещения
принимают вид:
v = -— grad p; i = —-.— = —„ grad p.
ip<o 6 fl —io) рш2 6 r
Кроме того, З. п. должно удовлет-
удовлетворять граничным условиям, т. е. тре-
требованиям, к-рые налагают на величи-
величины, характеризующие 3. п., физич.
свойства границ — поверхностей, ог-
ограничивающих среду, поверхностей,
ограничивающих помещённые в сре-
среду препятствия, и поверхностей раз-
раздела различных сред. Напр., на
абсолютно жёсткой границе нормаль-
нормальная компонента колебательной ско-
скорости vn должна обращаться в нуль;
на свободной поверхности должно
обращаться в нуль звуковое давле-
давление; на границе, характеризующейся
импедансом акустическим, отношение
p/vn должно равняться удельному
акустич. импедансу границы; на по-
поверхности раздела двух сред величи-
величины р и vn по обе стороны от поверх-
поверхности должны быть попарно равны.
В реальных жидкостях и газах имеется
дополнительное граничное условие:
обращение в нуль касательной компо-
компоненты колебательной скорости на
жёсткой границе или равенство ка-
касательных компонент на поверхности
раздела двух сред.
В твёрдых телах внутренние напря-
напряжения характеризуются не давлением,
а тензором напряжений, что отражает
наличие упругости среды по отноше-
отношению к изменению не только её объёма
(как в жидкостях и газах), но и фор-
формы. Соответственно усложняются и
ур-ния 3. п. и граничные условия.
Ещё более сложны ур-ния для ани-
анизотропных сред (см. Распространение
ультразвука в кристаллах).
Ур-ния 3. п. и граничные условия
отнюдь не определяют сами по себе
вид волн: в различных ситуациях
в той же среде при тех же граничных
условиях 3. п. будут иметь разный
вид. Ниже описаны разные виды
3. п., возникающие в различных си-
ситуациях.
1. Свободные волны — 3. п., к-рые
могут существовать во всей неогра-
неограниченной среде в отсутствии внешних
воздействий, напр. плоские волны,
бегущие вдоль оси х: р — р(х ^ ct)
(верхний знак относится к волне,
бегущей в положительном направле-
направлении оси х, а нижний — к волне,
распространяющейся в противополож-
противоположном направлении). Если выбрать за по-
положительное направление оси х на-
направление распространения волны, то
отношение давления к колебательной
скорости равно волновому сопротивле-
сопротивлению среды: piv = j- ре. Отсюда видно,
что в местах положительного звуко-
звукового давления направление колеба-
колебательной скорости в бегущей волне сов-
совпадает с направлением распростране-
распространения волны, в местах отрицательного
давления — противоположно этому
направлению, а в местах обращения
давления в нуль колебательная ско-
скорость также обращается в нуль. Гар-
Гармоническая плоская бегущая волна
имеет вид: р = />0cos(wt — kx + ср),
где р0 и ф — соответственно ампли-
амплитуда волны и её начальная фаза
в точке х = 0. В средах с диспер-
дисперсией скорости звука скорость гармо-
гармонической волны с = tiilk зависит от
частоты (см. Фазовая скорость).
2. Колебания в ограниченных об-
областях среды в отсутствии внешних
воздействий, напр. 3. п., возникаю-
возникающее в замкнутом объёме при заданных
начальных условиях. Такие 3. п. мож-
можно представить в виде суперпозиции
ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ
139
стоячих волн, характерных для дан-
данного объёма среды.
3. 3. п., возникающие в неограни-
неограниченной среде при заданных началь-
начальных условиях — значениях давления
и колебательной скорости в нек-рый
начальный момент времени (напр.,
3. и., возникающее после взрыва).
4. 3. п. излучения, создаваемые
колеблющимися телами, струями жид-
жидкости или газа, захлопывающимися
пузырьками и др. естественными или
искусственными акустич. излучателя-
излучателями (см. Излучение звука). Простейшие
по форме поля излучения: моно-
монопольное излучение — сфе-
сферически симметричная расходящаяся
волна; для гармонич. излучения она
имеет вид: р — —ipinQ -— , где Q—
производительность источника (напр.,
скорость изменения объёма пульси-
пульсирующего тела, малого по сравнению
с длиной волны), помещённого в центр
волны, а г — расстояние от центра.
Амплитуда звукового давления при
монопольном излучении изменяется
с расстоянием как 1/г. Колебатель-
Колебательная скорость при монопольном излу-
чении v = —О
f \
eihr. В неволно-
4ДО
вой зоне (кг 1С 1) скорость изменяет-
изменяется с расстоянием как 1/г2, а в вол-
волновой (кг > 1) ¦— как 1/г. Сдвиг фаз
между давлением и скоростью моно-
монотонно убывает от 90° в центре волны
до нуля на бесконечности; тангенс
фазового угла равен 1/кг. Диполь-
ное излучение — сферическая
расходящаяся волна с «восьмёрочной»
характеристикой направленности вида:
p= — t
4 до-2
где F — сила, приложенная к сре-
среде в центре волны, а 6 — угол меж-
между направлением силы и направле-
направлением на точку наблюдения. Такое же
излучение создаётся малой по сравне-
сравнению с длиной волны сферой, поме-
помещённой в центр волны и осцилли-
осциллирующей со скоростью и — Р/2лрша3,
где а — радиус сферы. Поршне-
Поршневое излучение — 3. п., созда-
создаваемые поступательными колебания-
колебаниями плоского поршня. Если размеры
излучающей поверхности много боль-
больше длины волны, то излучение пред-
представляет собой квазиплоскую волну,
распространяющуюся в виде огранич.
пучка, опирающегося на поршень. По
мере удаления от поршня дифракция
размывает пучок, переходящий на боль-
большом расстоянии от поршня в многоле-
многолепестковую расходящуюся сферическую
волну.
Все виды 3. п. излучения на
большом расстоянии от излучателя
(в т. н. дальней зоне, или зоне Фра-
унгофера) асимптотически принима-
принимают вид расходящихся сферич. волн:
р = А —Я F, ф), где А — постоян-
постоянная, 6 и ф — углы сферич. системы
координат, а функция R — харак-
характеристика направленности излучения.
Т. о., асимптотически поле убывает
обратно пропорционально расстоянию
точки наблюдения от области распо-
расположения источника звука. Для по-
получения желаемой характеристики
направленности применяют акустич.
антенны, состоящие из многих из-
излучателей с соответственно подоб-
подобранным соотношением амплитуд и
фаз излучения каждым из них. На-
Началом дальней зоны обычно считают
расстояние г = ZJ/A,, где D — попе-
поперечные размеры излучающей системы,
а Я, — длина волны. В т. н. ближней
зоне (френелевская зона) для 3. п.
излучения в общем случае нет к.-л.
определённой зависимости поля от г, а
угловая зависимость поля меняется
при изменении г — характеристика на-
направленности ещё не сформирована.
5. 3. п. фокусировки — поля вбли-
вблизи фокусов и каустик фокусирующих
устройств, характеризующиеся повы-
повышенными значениями звукового дав-
давления, обращающегося (при поль-
пользовании приближениями геометрич.
акустики) в бесконечность в фокусах
и на каустиках (см. Фокусировка звука).
6. 3. п., связанные с наличием в сре-
среде ограничивающих поверхностей и
препятствий (см. Отражение звука,
Преломление звука, Дифракция звука,
Рассеяние звука). При отражении и
преломлении плоских волн на плос-
плоских границах возникают также плос-
плоские отражённые и преломлённые вол-
волны. В волноводах, заполненных одно-
однородной средой, суперпозиция плоских
волн образует нормальные волны. При
отражении гармонич. плоских волн от
плоских границ образуются стоячие
волны, причём результирующие поля
могут оказаться стоячими в одном
направлении и бегущими — в другом.
140
ЗВУКОВОЙ ВЕТЕР
7. 3. п., затухающие вследствие
неидеальности среды (наличия вяз-
вязкости, теплопроводности и т. п.).
Для бегущих волн влияние затуха-
затухания сводится к появлению множителя
е~5*, где б — амплитудный пространст-
пространственный коэфф. затухания, связан-
связанный с добротностью Q среды соотно-
соотношением: б = kl2Q. В стоячих вол-
волнах появляется множитель е"(, где
а = сЬ = а>/2<? — амплитудный вре-
временной коэфф. затухания звука.
Измерение 3. п. производят раз-
различными приёмниками звука — при-
приёмниками давления и приёмниками
колебательной скорости (микрофона-
(микрофонами — для воздуха, гидрофонами —
для воды). При исследовании тонкой
структуры 3. п. следует пользовать-
пользоваться приёмниками, размеры к-рых малы
по сравнению с длиной волны звука,
в противном случае 3. п. может быть
искажено рассеянием на приёмнике;
кроме того, принимаемые поля усред-
усредняются по всей поверхности приём-
приёмного элемента, что также искажает
измеряемые величины, если размеры
элемента не будут малы по сравнению
с характерным размером неоднород-
неоднородности 3. п. Визуализация ультразву-
ультразвуковых полей возможна путём наблю-
наблюдения дифракции света на ультра-
ультразвуке, методом Теплера (теневой ме-
метод), методом электронно-оптич. пре-
преобразования и др.
Лит.: Исакович М. А., Общая
акустика, М., 1973; Ржевкин С. Н.,
Курс лекций по теории звука, М., 1960;
БергманЛ., Ультразвук и его примене-
применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд.,
М., 1957. М. А. Исакович.
ЗВУКОВОЙ ВЕТЕР — то же, что
акустические течения.
ЗВУКОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФ-
ЭФФЕКТ — аномально глубокое проник-
проникновение жидкости в капилляры и
узкие щели под действием УЗ. Если
в наполненную жидкостью УЗ-вую
ванну погрузить капилляр, то при
определённой интенсивности УЗ, со-
соответствующей развитой кавитации,
подъём жидкости в капилляре сильно
возрастёт.
Установлено, что жидкость подни-
поднимается по капилляру под воздейст-
воздействием УЗ только при условии, что
кавитационная область, состоящая из
пульсирующих и захлопывающихся
кавитационных пузырьков, находится
непосредственно под капилляром.
По-видимому, 3. э. обусловливается
суммарным воздействием единичных
импульсов давления, к-рые возни-
возникают при захлопывании кавитацион-
кавитационных пузырьков. Скорость и высота
жидкости в капилляре зависят от
числа захлопывающихся пузырьков
и величины возникающих при этом
сил, от трения на стенках и от вяз-
вязкости жидкости. Поэтому 3. э. будет
различным для разных жидкостей и
разных по размеру капилляров; он
меняется с изменением интенсивности
звука и с течением времени и усили-
усиливается с приложением статич. давле-
давления. Положение захлопывающихся
пузырьков в основании капилляра
неустойчиво из-за интенсивных акус-
акустических течений. Например, уровень
воды в стеклянном капилляре сече-
сечением 0,35 X 0,35 мм2 при звуковом
давлении 2,0 атм на частоте 18 кГц
в результате 3. э. превышает уровень,
обусловленный силами поверхностно-
поверхностного натяжения (т. е. в отсутствии УЗ),
более чем в 10 раз (рис.). Увеличение
Высота 1 и ско- §
рость 2 подъёма 2 g
воды в стеклян- ¦§
ном капилляре к ^
в зависимости от |
времени воздей- g
ствия ультра- §¦ ^
звука. «
* 120
о 100
•S 80
1 40
1 20
V
/ 1
У
ч
(У
2
f
20 40 60 80 I0D
Время, с
интенсивности УЗ и развитие акустич.
потоков снижают 3. э., и при звуковом
давлении 14—16 атм подъём воды
в стеклянном капилляре указанных
размеров под воздействием УЗ не
происходит.
Нарушение локализации в окрест-
окрестностях основания капилляра кави-
кавитационных пузырьков и уход их из
сечения капилляра приводит к мгно-
мгновенному опусканию жидкости до уров-
уровня, определяемого действием сил по-
поверхностного натяжения. Поддержа-
Поддержание уровня жидкости в капилляре
требует меньших (в 5 —10 раз) затрат
акустич. энергии, т. к. при этом уже
не нужно преодолевать силы вязкого
трения жидкости о стенки капилляра.
3. э. находит применение в различ-
различных технологич. процессах. Он позво-
позволяет ускорять в десятки и сотни
раз пропитку пористо-капиллярных
тел и увеличивать заполнение щелей
ЗВУКОЙЮМЙЙЕСЦЕНЦИЯ
141
в различных конструкциях. Поэтому
3. э. применяется при пропитке кату-
катушек трансформаторов и др. моточных
изделий клеями и лаками, при дуб-
дублении кож, при окрашивании толстых
тканей. 3. э. используются при пайке
сложных изделий, т. к. он обеспечи-
обеспечивает проникновение горячего припоя
одновременно во все зазоры и повы-
повышает этим качество соединений, напр,
при бесфлюсовой пайке трубчатых
теплообменников.
Большинство процессов УЗ-вой об-
обработки твёрдых тел в жидкости
с участием кавитации начинается
именно с усиленного проникновения
жидкости в капиллярные щели твёр-
твёрдых тел и расклинивания их. Это
относится к процессам УЗ-вых очист-
очистки, травления, сверления (см. Ме-
Механическая обработка), к процессам
кристаллизации и рафинирования при
использовании ультразвука в метал-
металлургии и т. д.
3. э. позволяет значительно уско-
ускорить процесс диспергирования и гид-
гидроабразивного разрушения порошко-
порошкообразных материалов, проводимый на
УЗ-вых установках, работающих под
статич. давлением. 3. э. использу-
используется в фасонном литье для получе-
получения тонких (капиллярных) каналов
литейной формы при изготовлении
точных отливок из алюминиевых
сплавов, когда их затвердевание про-
проводится в поле акустич. кавитации
при наложении статич. давления.
Лит.: Китайгородский Ю. И.,
Дрожалова В. И., «Науч. труды
Моск. ин-та стали и сплавов», 1977, J\6 90,
с. 12—16; Розин Ю. П., Тихоно-
Тихонова В. С, «Коллоидн. ж.», 1969, т. 31
MS 4, с. 568—57.1; Коновалов Е. Г.
Германовичи. Н., «Докл. АН БССР»
1962, т. 6, №8, с. 492—93; Graff К.
«Ultrasonics», 1977, v. 15, №2, p. 75—81.
А г р а н а т Б. А. и др., Ультразвуковая
технология, М., 1974. Г. И. Эскин.
ЗВУКОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — све-
свечение в жидкости при акустич. ка-
кавитации. Световое излучение при 3.
(рис. 1) очень слабое и становится
видимым только при значительном
усилении или в полной темноте.
Спектр 3. в основном непрерывный.
Причина свечения — сильное нагре-
нагревание газа и пара в кавитационном
пузырьке, происходящее в результа-
результате адиабатич. сжатия при его захло-
захлопывании: темп-pa внутри пузырька
может достигать 101 К, что вызывает
термич. возбуждение атомов газа и
Рис. 1. Свече-
Свечение поля кави-
кавитации перед ма-
малым ферритовым
преобразовате-
преобразователем, работаю-
работающим па частоте
25 кГц.
пара и свече-
свечение пузырька.
Эксперимен-
Экспериментально уста-
установлено, что
вспышки свечения возникают на после-
последней стадии захлопывания пузырька,
одновременно с ударной волной, и могут
длиться от 1/20 до 1/1000 с. Интенсив-
Интенсивность 3. зависит от количества газа
в пузырьке, а также от свойств жид-
жидкости, газа и интенсивности звука:
с увеличением последней 3. увеличи-
увеличивается до максимума, после чего на-
наблюдается спад (рис. 2).
При адиабатич. захлопывании пу-
пузырька, содержащего одноатомный
газ, темп-pa повышается больше, чем
при захлопывании пузырька с двух-
двухатомным. Однако если размеры пу-
пузырька малы, то может стать замет-
заметным влияние теплопроводности, бо-
Рис. 2. Зависи-
Зависимость интенсив-
интенсивности люминес-
люминесценции (выра-
(выраженной в отно- |
сительных еди- g
ницах) от интен- |
сивности звука о
1 (в относитель-
относительных единицах).
0,5
1.0
1.5 /
лее сильное для пузырьков с одно-
одноатомным газом. Поэтому в достаточно
малых пузырьках 3. более интенсив-
интенсивна, если они содержат двухатомный
газ, а среди более крупных пузырьков
сильнее светятся пузырьки с одноатом-
одноатомным газом.
Существуют и другие механизмы,
к-рые могут вносить определённый
вклад в 3., напр, хемилюминесцен-
ция, объясняющая свечение фотохи-
мич. рекомбинацией термически дис-
диссоциированных молекул, или свече-
свечение газа под действием электрич.
разрядов, происходящих в каверне.
Лит.: Кнэпп Р., Дейли Д ж.,
Хэммит Ф., Кавитация, пею. с англ.,
М., 1974. К. А. Наугольных.
142 ЗЕРКАЛО
ЗЕРКАЛО акустическое —
гладкая поверхность, линейные раз-
размеры к-рой велики по сравнению
с длиной волны к падающего звука,
формирующая регулярное отраже-
отражение звуковых волн. Поверхность 3.
считается достаточно гладкой, если
шероховатости её не превосходят ве-
величины А./20. Свойства 3. определя-
определяются коэфф. отражения и формой его
поверхности. Коэфф. отражения ма-
материала акустич. 3. влияет на энер-
энергию отражённой волны, а форма не-
непосредственно связана с видом отра-
отражённой волны.
Акустич. 3. применяются гл. обр.
для изменения направления распро-
Рис. 1. Отражение от плоского зеркала 3:
а —плоской волны I; б — сферической
волны 2; 4 — фронт отражённой плоской
волны; 5 — фронт отражённой сфериче-
сферической волны.
странения волн. Плоское 3. изменяет
только направление распространения
волны без изменения её вида: плоская
волна остаётся плоской (рис. 1),
а сферическая — сферической. Конич.
3. изменяет не только направление
распространения, но и форму фронта
отражённой волны: плоская волна
I (рис. 2, в), отражаясь от конич.
3. 2, превращается в цилиндрич.
волну 3, а цилиндрич. волна 1
(рис. 2, б), отражаясь от внутренней
a
в
т/л
ч
~ ,У//////
тШШ
Рис. 2. Отражение волн от конического
зеркала.
поверхности конуса 2,— в плоскую
волну 3. Параболоидное 3. (рис. 3, в)
изменяет направление и вид плоской
волны 2, превращая её в сходящую-
сходящуюся сферич. волну 3, а эллипсоидное 3.
(рис. 3, б) изменяет только направле-
направление распространения волны, преобра-
Рис. 3. Отражение волн: а — от парабо-
лоидного зеркала; б — от эллипсоидного
зеркала.
зуя расходящуюся сферич. волну 2
в сходящуюся в другом фокусе сфе-
сферич. волну 3. Акустич. 3. применяют-
применяются гл. обр. в акустич. рефлекторах
и концентраторах. И. Н. Каневский.
И
ИЗГИБНЫЕ ВОЛНЫ — деформа-
деформации изгиба, распространяющиеся в
стержнях и пластинках. Длина
И. в. всегда много больше толщины
стержня и пластинки, если же длина
волны становится сравнимой с их
толщиной, то движение в ней услож-
усложняется и её не называют изгибной.
Примерами И. в. могут служить стоя-
стоячие волны в камертоне, в деках музы-
музыкальных инструментов, в диффузо-
диффузорах громкоговорителей, а также вол-
волны, возникающие при вибрациях
тонкостенных механич. конструкций
(корпус самолёта и автомобиля, пе-
перекрытия и стены зданий и т. д.).
В бесконечных стержнях и пластин-
пластинках возникают бегущие И. в. В стерж-
ИЗГИБНЫЕ ВОЛНЫ
143
не направлением распространения
волны является его ось; в пластинке
плоские И. в. могут распространяться
по любому направлению, ориентиро-
ориентированному в её плоскости, и, кроме того,
возможны цилиндрич. И. в. При рас-
распространении И. в. каждый элемент
стержня или пластинки смещается
Деформация а — стержня и б — пластин-
пластинки в изгибной волне. Сплошной чертой да-
дано положение оси стержня и срединной
плоскости пластинки до смещения, пунк-
пунктирной — положение оси стержня и сре-
срединной плоскости пластинки после сме-
смещения, и0 — амплитуда смещения эле-
элементов стержня и пластинки в изгибной
волне, ось z — направление распростра-
распространения волны.
перпендикулярно оси стержня или
плоскости пластинки (рис.).
И. в. малых амплитуд в стержне и
пластинке описываются соответствен-
соответственно следующими ур-ниями:
Р + ER °
дги .
12 A - о2) '
где ? — время, z — координата вдоль
оси стержня, Л — двумерный опера-
оператор Лапласа, и — смещение элемен-
элементов стержня или пластинки, р — плот-
плотность материала, Е — модуль Юнга,
а — коэфф. Пуассона, R — радиус
инерции поперечного сечения стерж-
стержня относительно оси, перпендикуляр-
перпендикулярной плоскости изгиба и проходящей
через нейтральную поверхность, h —
толщина пластинки.
Фазовые скорости сст и спл гармония.
И. в. частоты со в стержне и пластинке
соответственно равны
спл = YEh*/i2P (I - a») YZ.
Эти скорости много меньше фазовых
скоростей с; продольных волн в стерж-
стержне и пластинке (см. Нормальные волны
в стержнях и пластинках). В приве-
приведённой таблице дана зависимость от-
ft/Xi
Спл/С;
0,
0,
0001
0135
0
0,
,001
0426
0
0,
,01
135
0
, 1
426
отношения её толщины к длине про-
продольной волны Х[ в ней.
Для И. в. характерна дисперсия:
при увеличении частоты фазовая ско-
скорость возрастает (см. Дисперсия ско-
скорости звука). Групповая скорость
И. в. равна удвоенному значению фа-
фазовой скорости. В стержнях и пластин-
пластинках, размеры к-рых в направлении
распространения И. в. ограничены,
в результате отражений от концов
возникают стоячие И. в. Если размеры
пластинки ограничены по фронту
И. в., то в пластинке возможна со-
совокупность И. в., отличающихся друг
от друга фазовыми скоростями и рас-
распределением амплитуды вдоль фронта.
Такие И. в. являются одним из видов
нормальных волн в упругих волно-
волноводах.
И. в. возможны не только в плоских,
но и в искривлённых пластинках
(т. н. оболочках). В этом случае
возможность существования волн и их
характеристики определяются геомет-
геометрией оболочки и граничными усло-
условиями на её краях. Так, напр., в за-
замкнутой сферич. оболочке И. в. не-
невозможны, в то время как в замкну-
замкнутой цилиндрич. оболочке со свобод-
свободными концами цилиндра возможны
изгибные волны, распространяющиеся
как в направлении, перпендикуляр-
перпендикулярном образующей, так и вдоль обра-
образующей.
И. в. используются для определе-
определения коэфф. вязкого трения и тепло-
теплопроводности твёрдых образцов, для
измерения уровня жидкости в закры-
закрытых сосудах (УЗ-вые уровнемеры),
в дисперсионных УЗ-вых линиях за-
задержки.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц
Е. М., Теория упругости, 3 изд., М.,
1965, гл. 1—3 (Теоретич. физика, т. 7);
Кольский Г., Волны напряжения
в твердых телах, пер. с англ., М., 1955, ч. 1,
гл. 3; Морз Ф., Колебания и звук, пер.
с англ., М.—Л., 1 949, гл. 4, 5; Л э м б Г.,
Динамическая теория звука, пер. с англ.,
М., 1960, гл. 4, 5; Бабаков И. М., Тео-
Теория колебаний, М., 1958, ч. 2, гл. 2, 13.
И. А. Викторов.
144
ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА
ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА -
устройства, применяемые для воз-
возбуждения УЗ-вых колебаний и волн
в газообразных, жидких и твёрдых
средах. И. у. преобразуют в энергию
звукового поля энергию к.-л. другого
вида.
Наибольшее распространение в ка-
качестве И. у. получили электроакусти-
электроакустические преобразователи. В подавляю-
подавляющем большинстве И. у. этого типа,
а именно в пьезоэлектрических пре-
преобразователях, магнитострикцион-
них преобразователях, электродина-
электродинамических излучателях, электромагнит-
электромагнитных и электростатич. излучателях,
электрич. энергия преобразуется в
энергию колебаний к.-л. твёрдого те-
тела (излучающей пластинки, стержня,
диафрагмы и т. п.), к-рое и излу-
излучает в окружающую среду акустич.
волны. Все перечисленные преобра-
преобразователи, как правило, линейны, и,
следовательно, колебания излучаю-
излучающей системы воспроизводят по форме
возбуждающий электрич. сигнал;
лишь при очень больших амплиту-
амплитудах колебаний вблизи верхней грани-
границы динамич. диапазона И. у. могут
возникнуть нелинейные искажения.
В преобразователях, предназначен-
предназначенных для излучения монохроматич.
волны, используется явление резо-
резонанса: они работают на одном из
собственных колебаний механич. ко-
колебательной системы, на частоту
к-рого настраивается генератор
электрич. колебаний, возбуждающий
преобразователь. Электроакустич. пре-
преобразователи, не обладающие твердо-
твердотельной излучающей системой, при-
применяются в качестве И. у. сравни-
сравнительно редко; к ним относятся, напр.,
И. у., основанные на электрич. раз-
разряде в жидкости или на электрострик-
ции жидкости.
Другой, достаточно распространён-
распространённый тип преобразования энергии, ис-
используемый в И. у.,— преобразова-
преобразование кинетич. энергии струи газа или
жидкости в энергию акустич. колеба-
колебаний. Такое преобразование возникает
при периодич. прерывании струи (см.
Сирены), при взаимодействии её
с твёрдыми препятствиями различного
вида (см. Газоструйные излучатели,
Гидродинамический излучатель). Ме-
Механизм звукообразования в таких
И. у. может быть связан с генера-
генерацией автоколебаний в среде, как,
напр., в Гартмана генераторе, или
с возбуждением колебаний твёрдой
излучающей системы, как, напр.,
в пластинчатых гидродинамич. свист-
свистках или мембранных газоструйных
излучателях. Форма излучаемого сиг-
сигнала, его спектр определяются для
И. у. подобного типа режимом исте-
истечения струи и геометрич. параметра-
параметрами конструкции.
К основным характеристикам И. у.
относятся их частотный спектр, излу-
излучаемая мощность звука, направлен-
направленность излучения (см. Направленность
акустич. излучателей и приёмников).
В случае моночастотного излучения
основными характеристиками являют-
являются рабочая частота И. у. и его частот-
частотная полоса, границы которой опреде-
определяются падением излучаемой мощнос-
мощности в два раза но сравнению с её зна-
значением на частоте максимального из-
излучения. Для резонансных электро-
электроакустич. преобразователей рабочей
частотой является собственная часто-
частота /о преобразователя, а ширина
полосы А/ определяется его доброт-
добротностью Q, т. к. Л/ = fJQ. И. у.—
электроакустич. преобразователи ха-
характеризуются чувствительностью,
электроакустич. коэфф. полезного
действия и собственным олектрич.
импедансом. Чувствительность И. у.—
отношение звукового давления в мак-
максимуме характеристики направлен-
направленности на определённом расстоянии
от излучателя (чаще всего на расстоя-
расстоянии 1 м) к электрич. напряжению
на нём или к протекающему в нём
току. Эта характеристика применяет-
применяется к И. у., используемым в системах
звуковой сигнализации, в гидролока-
гидролокации и в других подобных устройствах.
Для излучателей технологич. назна-
назначения, применяемых, напр., при
УЗ-вых очистке, коагуляции, воздей-
воздействии на химич. процессы, основной
характеристикой является мощность.
Наряду с общей излучаемой мощ-
мощностью, оцениваемой в Вт (кВт, МВт),
И. у. характеризуют удельной мощ-
мощностью, т. е. средней мощностью, при-
приходящейся на единицу площади из-
излучающей поверхности, или усред-
усреднённой интенсивностью излучения
в ближнем поле, оцениваемой в Вт/см2
или Вт/м2. Эффективность электро-
электроакустич. преобразователей, излучаю-
излучающих акустич. энергию в озвучивае-
озвучиваемую среду, характеризуют величиной
ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКА
145
их электроакустич. коэфф. полезно-
полезного действия, представляющего собой
отношение излучаемой акустич. мощ-
мощности к затрачиваемой электрической.
В акустоэлектронике для оценки
эффективности И. у. используют т. н.
коэфф. электрич. потерь, равный от-
отношению (в дБ) электрич. мощно-
мощности к акустической. Эффективность
УЗ-вых инструментов, используемых
при УЗ-вой сварке, механической об-
обработке и т. п., характеризуют т. н.
коэфф. эффективности, представляю-
представляющим собой отношение квадрата амп-
амплитуды колебательного смещения на
рабочем конце концентратора к элект-
электрической мощности, потребляемой
преобразователем. Иногда для харак-
характеристики преобразования энергии
в И. у. используют эффективный
коэффициент электромеханической
связи.
И. у.— электроакустич. преобразо-
преобразователи используются в самых различ-
различных оЗластях УЗ-вой техники в ши-
широком частотном диапазоне. Электро-
динамич. излучатели применяются
для излучения в газовые среды на
частотах от десятков Гц до десятков
кГц с кпд ~ 10%; мощность их не
превышает десятков Вт. Они исполь-
используются и в жидкости на низких зву-
звуковых частотах. Пьезоэлектрич. пре-
преобразователи — наиболее широко ис-
используемый в технике тип И. у.
С пъезоэлементами в виде пластинок,
стержней, колец они применяются
в диапазоне частот от единиц кГц до
десятков МГц для целей УЗ-вой тех-
технологии, дефектоскопии, при различ-
различных контрольно-измерительных приме-
применениях ультразвука, в гидролокации
и т. п. На частотах — 1кГц и ни-
ниже используются изгибно колеблющи-
колеблющиеся пьезоэлементы. Кпд пьезоэлек-
пьезоэлектрических И. у. составляет 40—
70%, удельная мощность достигает
10 Вт/см2. Динамич. диапазон их
ограничивается сверху электрич. и
механич. прочностью, а также нагре-
нагреванием вследствие собственных по-
потерь. Магнитострикционные преобра-
преобразователи используются гл. обр. как
резонансные И. у. в УЗ-вой техно-
технологии в диапазоне 10—100 кГц. Их
главное достоинство — высокая ме-
механич. прочность, надёжность. Кпд
таких преобразователей —50%, удель-
удельная излучаемая мощность может до-
достигать 20 Вт/см2 и более. Основной
причиной ограничения мощности яв-
является нелинейность свойств, обуслов-
обусловленная магнитным насыщением. На
частотах от 10 МГц до 70 ГГц для
излучения в твёрдые среды использу-
используются пьезополупроводниковые преобра-
преобразователи различного типа. Согласова-
Согласование их по акустич. и электрич. стороне
позволяет получить очень широкую
частотную полосу. Эти И. у. нахо-
находят применение в акустоэлектронике.
Для излучения гиперзвука применяет-
применяется т. н. возбуждение с поверхности
пьезоэлектрич. и магнитострикцион-
ных кристаллов, помещаемых в СВЧ-
резонатор электромагнитных коле-
колебаний.
Газоструйные И. у. обеспечивают
более эффективное излучение в газо-
газовые среды, чем электроакустич. преоб-
преобразователи. Однако режим работы их
нестабилен и спектр обычно доста-
достаточно сложен. Такие И. у. не могут
создать монохроматич. сигнал или
воспроизвести сигнал заданной формы.
Кпд газоструйных излучателей, ра-
работающих в дозвуковом режиме ис-
истечения струи (свистки), достигает
30% при излучаемой мощности в еди-
единицы Вт. И. у. со сверхзвуковым
режимом истечения (Гартмана гене-
генератор) обладают интенсивностью излу-
излучения до 4—5 Вт/см2, однако кпд
их составляет всего 5—6%. Сирены
позволяют излучать акустич. мощ-
мощность от сотен Вт до десятков кВт
с кпд я 50% на частотах от несколь-
нескольких кГц до десятков кГц. Все эти
излучатели применяют для воздейст-
воздействия УЗ на технологич. процессы,
протекающие в газовых средах, а так-
также для сигнализации. Для УЗ-вых
технологич. процессов, осуществляе-
осуществляемых в жидкостях, используют гид-
родинамич. излучатели, работающие
в диапазоне частот ~ кГц и обес-
обеспечивающие интенсивность излучения
до нескольких Вт/см2. Недостатком их
с точки зрения более широкого ис-
использования является, как и у газо-
газоструйных излучателей, низкая ста-
стабильность режима и немонохрома-
тич. излучение. и. п. Голямина.
ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКА — создание
звуковых полей при помощи различ-
различных устройств — излучателей (см.
Излучатели ультразвука). Звуковое по-
поле, создаваемое данным излучателем,
существенно зависит от формы излу-
излучателя и вида его колебаний, а также
146
ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКА
от частоты, определяющей соотно-
соотношение между размерами излучателя
и длиной волны излучаемого им зву-
звука. В связи с этим целесообразно
рассматривать излучение гармониче-
гармонических волн и изучать зависимость излу-
излучения от частоты.
Для выяснения характеристик из-
излучателей рассматривают упрощён-
упрощённые теоретич. модели, дающие в ос-
основном ту же картину излучения, что
и реальные излучатели, и допускаю-
допускающие простой расчёт таких основных
параметров излучателей, как удель-
удельная и полная излучаемая мощность,
требуемые вынуждающие силы, на-
направленность, законы спадания поля
с расстоянием и т. п. Для излуча-
излучателей, размеры колеблющихся элемен-
элементов к-рых велики по сравнению с дли-
длиной волны, подобной моделью может
служить бесконечная плоскость, ко-
колеблющаяся синфазно, как одно це-
целое, в направлении своей нормали
(т. н. поршневое излуче-
излучение). Такая плоскость создаёт плос-
плоскую бегущую волну, в к-рой давле-
давление р и колебательная скорость час-
частиц г? синфазны и для любой формы
волны находятся в отношении p/v =
= ре, где ре — волновое сопротивление
среды (р — плотность среды, с — ско-
скорость звука). Для гармонической вол-
волны средняя удельная излучаемая мощ-
мощность звука равна:
w =
= p'J 2pc =
Я, A)
где р0 и у0 — амплитуды давления и
колебательной скорости на излучаю-
излучающей поверхности.
Для излучателя в виде поршня
в жёстком экране при размерах порш-
поршня больших по сравнению с длиной
волны поле на его поверхности и пе-
перед ним вблизи него мало отличается
от поля перед бесконечной плоскостью
(за исключением участков вблизи
краёв поршня). Поэтому почти по
всей поверхности поршня давление и
колебательная скорость поршня син-
синфазны и между ними имеет место то
же соотношение Ро/^о == Рс> что и
в плоской волне, так что удельную
мощность можно рассчитывать по той
же ф-ле A). Удельную мощность излу-
излучения удобно выражать через удель-
удельный импеданс акустический на излу-
излучающей поверхности: отношение дав-
давления на этой поверхности к её коле-
колебательной скорости, т. е. г = p/v. Для
большого поршня удельный акустич.
импеданс веществен и равен рс, так
что его удельную мощность излуче-
излучения можно записать в виде:
w = i/2zv\ B)
Полная излучённая мощность боль-
большого поршня площадью S равна:
W =
C)
Для поршня малых по сравнению
с длиной волны размеров удельная
излучаемая мощность много меньше,
чем для большого поршня. Так, для
круглого поршня радиуса а в жёстком
экране при условии ка <^ 1
a W = lr
ha)'
где S = яа2, к — волновое число.
Для малого поршня давление уже
не синфазно с колебательной ско-
скоростью на его поверхности, и по-
поэтому удельный акустич. импеданс
является комплексной величиной:
z = Rez + ilmz. Средняя удельная
мощность излучения в этом случае
рассчитывается по ф-ле:
^ = 1/2Rez^. D)
Следовательно, для малого поршня
Rez = я- (каJ рс, и уменьшение удель-
удельной мощности излучения можно трак-
трактовать как уменьшение удельного
сопротивления излучения — дейст-
действительной части удельного акустич.
импеданса Rez. Мнимая часть удель-
удельного акустического импеданса (реак-
(реактивная часть) Imz обусловливает ре-
реактивную («безваттную») мощность
излучателя, связанную с периодиче-
периодическим обменом энергией между излу-
излучателем и прилегающими к нему слоя-
слоями среды. Эта энергия остаётся лока-
локализованной вблизи излучателя и не
даёт вклада в излучение.
Для выяснения поведения излуча-
излучателей при произвольном соотношении
между их размерами и длиной волны
удобно пользоваться другой теоретич.
моделью — т. н. излучателем
нулевого порядка — пуль-
пульсирующей сферой (рис. 1), или моно-
полем. Давление, создаваемое пуль-
пульсирующей сферой на расстоянии г
от её центра, равно:
р = — грш (Q/Hr)eihr, E)
ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКА
147
где со — частота пульсаций, Q —
производительность излучателя. Излу-
Излучение монополя сферически симмет-
симметрично. Колебательная скорость частиц
равна:
Удельный акустич. импеданс пульси-
пульсирующей сферы радиуса а равен:
грека
рс (haJ
1+ (ha)'
Действительная часть и абсолютная
величина мнимой части, рассчитанные
по ф-ле G), представлены^ на рис. 2.
__ При
следовательно, дри за-
i данном радиусе цуль-
I сирующей сферы и дан-
у ной амплитуде колеба-
колебательной скорости удель-
ная (а значит, и пол-
Рис. 1. ная) мощность излуче-
Пульсирую- ' пппттоттипяя ттт,ня
щая сфера ния пропорциональна
(монополь). квадрату частоты. При
заданной же амплитуде
смещения поверхности сферы данного
радиуса при том же условии ка < 1
удельная и полная мощности оказыва-
оказываются пропорциональными четвёртой
степени частоты. Этим объясняется ма-
малая эффективность излучения излу-
излучателями, малыми по сравнению с дли-
длиной волны, напр, малое количество
энергии, передаваемой в жидкость
концом УЗ-вого инструмента. При
ка = 1 удельное сопротивление излу-
излучения Rez = рс/2, а значение |Jm.z|
Re/
hka
Рис. 2. Зависимость действительной и
мнимой (с обратным знаком) части удель-
удельного акустического импеданса на поверх-
поверхности пульсирующей сферы радиуса о от
параметра ha.
достигает максимума, равного также
рс/2. При дальнейшем увеличении ка
сопротивление излучения растёт, стре-
стремясь асимптотически к рс, а реактив-
реактивная компонента стремится асимпто-
асимптотически к нулю; для больших ка снова
можно пользоваться ф-лами C) и D).
Удельная мощность для любого ка
выражается через давление на поверх-
поверхности излучателя той же формулой
w =р2/2рс, что и для бесконечной
плоскости. Однако скорость поверх-
поверхности излучателя для получения за-
заданного давления должна быть боль-
больше, чем в случае бесконечной плос-
плоскости, в "J/1 + (каJ/ка раз. (8).
Полная излучаемая мощность мо-
монополя любого радиуса выражается
через его производительность ф-лой:
W = pck2Q2/&n. (9)
Для малых ка объёмная скорость излу-
излучателя V = 4яа2г?0 приближённо рав-
равна его производительности. Поэтому
для малых пульсирующих сфер
W я рсА:2К2/8я, A0)
т.е. излучаемая мощность определяется
при данной частоте только объёмной
скоростью излучателя, независимо от
его размеров. Более того, для любых
малых излучателей звука, создающих
объёмную скорость, но не имеющих
сферич. симметрии (малое пульсирую-
пульсирующее тело несферич. формы, тело с не-
неравномерным распределением колеба-
колебательных скоростей по поверхности, ма-
малый поршень в жёстком экране, сирена
и т. п.), полная излучаемая мощность
также выражается ф-лой A0). Это объ-
объясняется тем, что дифракционные эф-
эффекты (см. Дифракция звука) приводят
к такому выравниванию создаваемого
поля, что уже на расстоянии в не-
несколько поперечников излучателя по-
поле становится практически неотличи-
неотличимым от поля малого монополя с той же
объёмной скоростью.
Реактивная часть удельного аку-
акустич. импеданса малой сферы равна:
Imz = — кора,
что соответствует импедансу массы,
распределённой по всей поверхности
с поверхностной плотностью ра. Сум-
Суммарная масса — т. н. присоеди-
присоединённая масса сферы — состав-
составляет таким образом 4яа3р, т. е. равна
массе среды в тройном объёме сферы.
Наличие присоединённой массы объ-
объясняет понижение собственной часто-
частоты погружённых в жидкость излучате-
излучателей по сравнению с их частотой при
колебаниях в воздухе.
Кроме излучателей монопольного
типа, важное значение имеют излу-
излучатели, не создающие объёмной ско-
148
ИМПЕДАНС АКУСТИЧЕСКИЙ
рости, напр, осциллирующие тела,
струны. Поле таких излучателей так-
также является полем сферич. волн (по-
(поверхности равных фаз — сферы), но
излучение не имеет сферич. симмет-
симметрии: давление зависит от угла 0 между
направлением осцилляции и направ-
направлением на точку наблюдения по зако-
закону косинуса. Для осциллирующих
тел картину излучения даёт ещё одна
теоретич. модель — излучатель
первого порядка — осцил-
осциллирующая сфе-
сфера (рис. 3), или
диполь. Харак-
Характеристика на-
правленн ости
диполя — тело
вращения с ме-
меридианом в ви-
виде восьмёрки,
образованной
двумя касающимися окружностями
единичного диаметра. При малом ра-
радиусе сферы (ка <t 1) давление, со-
создаваемое диполем, равно:
Рис. 3. Осциллирую-
Осциллирующая сфера (диполь).
^ A1)
где и — амплитуда скорости осцилля-
осцилляции сферы. Отсюда видно, что излу-
излучение диполя определяется произ-
произведением объёма осциллирующей сфе-
сферы на скорость осцилляции. Закон
убывания давления в поле диполя
при кг > 1 такой же, как у монополя
(р ~ 1/г), но вблизи излучателя дав-
давление изменяется быстрее, и при
кг «^ 1 р ~ 1/г2. Закон убывания
р ~ 1/г при больших расстояниях
имеет место для излучателей любого
типа, даже не малых по сравнению
с длиной волны. Такое убывание на-
начинается с расстояний ~?>2/Я, где D —
размер излучателя.
При малых ка механич. импеданс
сферы, т. е. отношение силы, с к-рой
сфера действует на среду, к скорости
осцилляции, равен:
ZM = -i<oP.-§-««s[l+^]. A2)
Средняя излучаемая мощность рас-
рассчитывается по ф-ле:
W=1/2ReZMu* = VePC**2 (ka)*>u\ A3)
При заданных а и и излучаемая мощ-
мощность пропорциональна четвёртой сте-
степени частоты и, следовательно, убывает
с уменьшением частоты ещё быстрее,
чем мощность излучения монополя. С
этим связано, напр., то обстоятельство,
что струны музыкальных инструмен-
инструментов сами по себе дают ничтожное излу-
излучение звука и их приходится укреп-
укреплять на деках, к-рым передаются ко-
колебания струн и к-рые в силу своих
больших размеров эффективно излуча-
излучают звук. Реактивная часть импеданса
диполя эквивалентна реакции присое-
присоединённой массы, равной массе среды
в половинном объёме осциллирующей
сферы. Дипольное излучение можно
представить себе как совместное из-
излучение двух монополий, пульсирую-
пульсирующих в противофазе и расположенных
друг от друга на расстоянии, малом
по сравнению с длиной волны.
Для получения острой направлен-
направленности излучения применяют либо
протяжённые излучатели (напр., боль-
большой поршень или системы излучате-
излучателей с общей протяжённостью, доста-
достаточно большой по сравнению с длиной
волны), либо сверхнаправленные систе-
системы, в к-рых сужение характеристики
направленности достигается за счёт
значительного увеличения реактивной
мощности системы.
Лит.: Ржевкин С. Н., Курс лекций
по теории звука, М., 1960; Исакович
М. А., Общая акустика, М., 1973.
М. А. Исакович.
ИМПЕДАНС АКУСТИЧЕСКИЙ —
комплексное сопротивление, к-рое вво-
вводится при рассмотрении колебаний
акустич. систем (излучателей, приём-
приёмников звука, рупоров, труб и т. п.).
И. а. представляет собой отношение
комплексных амплитуд звукового дав-
давления к колебательной объёмной ско-
скорости. Комплексное выражение И. а.
имеет вид:
Действительная часть И. a. ReZa (т. н.
активное акустич. сопротивление) свя-
связана с диссипацией энергии в самой
акустич. системе и потерями энергии
на излучение звука, а мнимая часть
И. a. ImZa (реактивное акустич. соп-
сопротивление) обусловлена реакцией сил
инерции (масс) или сил упругости
(гибкости). В соответствии с этим реак-
реактивное сопротивление бывает инер-
инерционным или упругим.
Акустич. сопротивление в системе
СИ измеряется в Н-с/м5, в системе
СГС — в дин -с/см5 (иногда эту еди-
единицу наз. «акустич. Ом»). Понятие
«И. а.» важно при рассмотрении рас-
распространения звука в трубах пере-
ИМПУЛЬС ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ
149
менного сечения, рупорах и подоб-
подобных системах или при рассмотрении
акустич. свойств излучателей и приём-
приёмников звука, их диффузоров, мембран
и т. п. (см. Излучение звука). Для
излучающих систем от И. а. при
заданной объёмной скорости зависит
мощность излучения, кпд и другие
характеристики; для приёмников зву-
звука И. а. определяет условия согла-
согласования со средой. Наряду с И. а.
при рассмотрении акустич. систем
пользуются понятиями удельно-
удельного акустического импе-
импеданса га и механического импе-
импеданса ZM, к-рые связаны между собой
и с Za зависимостью: ZM = Sza =
— S~Za, где S — рассматриваемая
площадь в акустич. системе. Удель-
Удельный И. а. выражается отношением
звукового давления к колебательной
скорости в данной точке. Для
ллоской волны удельный И. а. равен
волновому сопротивлению среды. Ме-
ханич. импеданс (и соответственно
механич. активное и реактивное соп-
сопротивление) определяется отношением
силы, с к-рой система действует на
среду, к колебательной скорости час-
частиц. Для поршневой излучающей сис-
системы при размерах поршня, больших
длины волны, механич. импеданс ра-
равен произведению звукового давления
на площадь поршня, отнесённому к
средней колебательной скорости для
этой площади. Единица механическо-
механического сопротивления в системе СИ —
Н-с/м, в системе СГС —дин с/см (иног-
(иногда наз. «механич. Ом»). и. Г. Русаков.
ИМПУЛЬС АКУСТИЧЕСКИЙ —
1) бегущая звуковая волна, имеющая
характер резкого кратковременного
изменения давления. В качестве при-
примера могут служить звуковые волны,
создаваемые взрывом, искровым раз-
разрядом, соударением тел. При рас-
распространении в неограниченной среде
интеграл по времени от давления
в И. а. для любой точки среды равен
нулю, т. к. каждый такой импульс
содержит как область повышенного,
так и область пониженного давления.
Спектр такого И. а. сплошной с мак-
максимумом в области частот, период
к-рых близок к длительности И. а.
2) Т. н. заполненный импульс, или ра-
радиоимпульс, — звуковая волна, близ-
близкая по форме к участку синусоиды той
или иной частоты («частота заполне-
заполнения»), или, иначе говоря, распростра-
распространяющийся цуг квазигармонич. коле-
колебаний, включающий примерно от де-
десяти до нескольких сотен периодов.
Огибающая цуга, т. е. закон измене-
изменения амплитуды в И. а., может быть
различной. Наиболее распростра-
распространёнными являются И.а. прямоугольной
формы, применяются также колоколо-
образная (гауссова) и экспоненци-
экспоненциальная формы огибающей. Такие И. а.
создают при помощи электроакустиче-
электроакустических преобразователей, питаемых от
генераторов электрич. синусоидаль-
синусоидальных сигналов, подаваемых на преоб-
преобразователь через импульсный модуля-
модулятор (или прерыватель). Часто применя-
применяют ряд следующих друг за другом с оп-
определённой частотой повторения иден-
идентичных заполненных И. а., промежут-
промежутки между к-рыми обычно существенно
больше длительности отдельного И. а.
Такие последовательности импульсов
можно рассматривать как частный слу-
случай амплитудно-модулированных зву-
звуковых колебаний (см. Модуляция коле-
колебаний). Основные характеристики аку-
акустических сигналов в виде таких
последовательностей импульсов — ча-
частота заполнения, длительность от-
отдельного импульса и частота повторе-
повторения (или скважность, равная отно-
отношению периода следования импуль-
импульсов к длительности отдельного им-
импульса). Импульсные сигналы приме-
применяют при акустич. исследованиях
в ограниченных объёмах, напр, в не-
заглушённых помещениях или бас-
бассейнах, в УЗ-вых ваннах, при измере-
измерениях скорости и поглощения звука
в образцах твёрдых тел, чтобы исклю-
исключить осложняющие влияния отражён-
отражённых сигналов.
Звуковые и УЗ-вые И. а. широко
используются в гидроакустике для
исследования свойств морской среды,
для измерения глубин (см. Эхолот)
и в гидролокации, а также в УЗ-вой
дефектоскопии и в ряде других мето-
методов (см. Контрольно-измерительные
применения ультразвука).
ИМПУЛЬС ЗВУКОВОЙ ВОЛ-
ВОЛНЫ — полный импульс части среды,
занятой звуковой волной; имеет смысл
для волны, занимающей конечную
область пространства, нигде не огра-
ограниченную стенками. Импульс еди-
единицы объёма наз. плотностью импуль-
импульса и равен плотности потока массы:
150
ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА
где р0 и р — соответственно невоз-
невозмущённая плотность среды и откло-
отклонение плотности от невозмущённой
в звуковой волне, v — колебатель-
колебательная скорость частиц. Поскольку
р'= р/с2, где р — звуковое давление
в волне, с — скорость звука,
где q = pv — вектор плотности потока
звуковой энергии в волне, а | q | —
интенсивность звука. Полный импульс
звуковой волны получается интегри-
интегрированием по всему объёму F среды,
занятому волной. Он равен:
Наличие неравного нулю импульса
означает, что в звуковой волне имеет
место перенос вещества. Это — один
из эффектов 2-го порядка малости,
поскольку q — величина 2-го поряд-
порядка.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1954. В. А. Ирасильников.
ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА (с и-
ла звука) — средняя по времени
энергия, переносимая звуковой вол-
волной через единичную площадку, пер-
перпендикулярную к направлению рас-
распространения волны, в единицу вре-
времени. Для периодич. звука усредне-
усреднение производится либо за промежу-
промежуток времени большой но сравнению
с периодом, либо за целое число
периодов.
Для плоской синусоидальной бе-
бегущей волны И. з.
/ = pv/2 = р2/2ре = г;2рс/2,
где р — амплитуда звукового давления,
v — амплитуда колебательной скоро-
скорости частиц, р — плотность среды,
с — скорость звука в ней. В сфе-
сферической бегущей волне И. з. обратно
пропорциональна квадрату расстоя-
расстояния от источника. В стоячей волне
/ = 0, т. е. потока звуковой энергии
в среднем нет. И. з. в гармонич.
плоской бегущей волне равна плот-
плотности энергии звуковой волны, умно-
умноженной на скорвсть звука. Поток зву-
звуковой энергии характеризуют т. н.
вектором Умова — вектором плотности
потока энергии звуковой волны, к-рый
можно представить как произведение
И. з. на вектор волновой нормали,
т. е. единичный вектор, перпенди-
перпендикулярный фронту волны. Если зву-
звуковое поле представляет собой супер-
суперпозицию гармонич. волн различной
частоты, то для вектора средней плот-
плотности потока звуковой энергии имеет
место аддитивность составляющих.
Для излучателей, создающих пло-
плоскую волну, говорят об интенсив-
интенсивности излучения, понимая под этим
удельную мощность излучателя, т. е.
излучаемую мощность звука, отне-
отнесённую к единице площади излучаю-
излучающей поверхности.
И. з. измеряется в системе единиц
СИ в Вт/м2, а в системе единиц СГС
в эрг/с см2 = 10~3 Вт/м2. В УЗ-вой
технике для И. з. пользуются едини-
единицей Вт/см2. И. з. оценивается также
уровнем интенсивности
по шкале децибел; число децибел
N = 10 lg(///0), где / — интенсив-
интенсивность данного звука, /0 = 10~12
Вт/м2.
В УЗ-вой технике интервал измене-
изменения И. з. очень велик — от пороговых
значений — 10~12 Вт/м2 до сотен
кВт/м2 в фокусе УЗ-вых концентра-
концентраторов. В. А. Красилъников.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЗВУКА —
неравномерность пространственного
распределения амплитуды результи-
результирующей звуковой волны в зависимости
от соотношения между фазами волн,
складывающихся в той или иной точке
пространства. При сложении гармо-
гармонических волн одинаковой частоты ре-
результирующее пространственное рас-
распределение амплитуд образует не
зависящую от времени интерферен-
интерференционную картину, к-рая соответст-
соответствует изменению разности фаз состав-
составляющих волн при переходе от точки
к точке. Для двух интерферирующих
волн эта картина на плоскости имеет
вид чередующихся полос усиления и
ослабления амплитуды величины, ха-
характеризующей звуковое поле (напр.,
звукового давления). Для двух плос-
плоских волн полосы прямолинейны с
амплитудой, меняющейся поперёк по-
полос соответственно изменению раз-
разности фаз. Важный частный случай
интерференции — сложение плоской
волны с её отражением от плоской
границы; при этом образуется стоячая
волна с плоскостями узлов и пучно-
пучностей, расположенными параллельно
границе. Для двух точечных источ-
источников интерференционные полосы
имеют форму гипербол (рис.), в фо-
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЗВУКА
151
кусах к-рых расположены источники.
Для группы двух или более источни-
источников интерференционная картина вдали
от места расположения группы оказы-
оказывается различной по разным направле-
направлениям. Это явление ле-
лежит в основе направ-
направленного действия аку-
Инторференционные по-
полосы для двух синфаз-
синфазных гармонических то-
точечных источников;
толстые и тонкие ли-
линии — соответственно
пучности и узлы дав-
давления.
стических антенн (см.Направленность).
При интерференции волн квадрат
амплитуды А колебаний поля в дан-
данной точке вообще не равен сумме квад-
квадратов амплитуд складывающихся
волн, напр, для двух волн с ампли-
амплитудами А, и А2,
А- = A, -j- Аг + 2А^Аг cos ф,
где ф — разность фаз между исход-
исходными волнами в рассматриваемой точ-
точке. Для интерферирующих волн, бе-
бегущих в близких направлениях, квад-
квадрат амплитуды поля пропорционален
плотности энергии волн. Следователь-
Следовательно, при интерференции имеет место
нарушение энергетич. сложения волн:
в разных точках интерференционной
картины результирующая плотность
энергии и интенсивность могут быть
как больше, так д меньше суммы
плотностей энергии или интенсивно-
стей каждой из составляющих волн
в отдельности. Т. о., при И. з. проис-
происходит перераспределение акустичес-
акустической энергии волн в пространстве.
При интерференции гармонич. волн
с разными частотами интерференцион-
интерференционная картина перемещается в прост-
пространстве ввиду изменения разностей
фаз с течением времени. При усредне-
усреднении такой картины за большой про-
промежуток времени интерференционная
картина полностью смазывается, а
среднее значение плотности энергии
оказывается пропорциональным сум-
сумме квадратов амплитуд составляющих
волн, т. е. имеет место энергетич.
сложение волн. Поэтому часто гово-
говорят, что волны разных частот не ин-
интерферируют. Если время усреднения
мало по сравнению с временем пере-
перемещения интерференционной карти-
картины на одну полосу, то интерференция
наблюдается, хотя и с меньшей рез-
резкостью.
Если усреднённая за большой про-
промежуток времени интерференционная
картина при суперпозиции негармо-
нич. волн оказывается полностью
стёртой, то волны наз. некогерент-
некогерентными (напр., волны, создаваемые раз-
различными источниками случайных шу-
шумов). Но при наложении волн одного
происхождения (напр., волна и её
отражение) интерференция наблюда-
наблюдается даже для случайных шумов,
хотя только в ограниченной области,
причём энергетич. сложение здесь
также нарушается. При сложении
когерентных шумов интерференцион-
интерференционная картина постепенно смазывается
по мере удаления от места её наиболь-
наибольшей резкости (степень когерентности
уменьшается и, иногда осциллируя,
стремится к нулю по мере увеличения
разности времён прихода интерфе-
интерферирующих волн).
Важный пример И. з.— поле мо-
монохроматического или близкого к мо-
монохроматическому звука, образующее-
образующееся в ограниченном объёме (напр.,
в ванне для УЗ-вой очистки деталей).
Излучённый в ванну звук со своими
отражениями от стенок создаёт слож-
сложную интерференционную картину, что
приводит к неравномерному воздейст-
воздействию УЗ в разных частях ванны.
В этом случае для получения равномер-
равномерности облучения следует применять
модуляцию частоты или широкопо-
широкополосный сигнал, для к-рого степень
когерентности прямого звука с его
отражениями от стенок будет мала.
Представление об И. з. используют
в теории дифракции звука, выражая
дифрагированное поле в виде супер-
суперпозиции полей от вторичных источ-
источников. И. з. применяют для измере-
измерения длины волны звука (а следова-
следовательно, и скорости звука) при помо-
помощи звуковых интерферометров. И. з.
имеет место также и для сдвиговых
волн в твёрдом теле, однако в этом
случае интерферируют только волны
с одинаковой поляризацией (одинако-
(одинаковым направлением смещения частиц).
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М.—Л., 1959, гл. 5, § 1;
X а й к и н С. Э., Физические основы ме-
механики, М., 1971, §159. М.А.Исакович.
ИНТЕРФЕРОМЕТР ультра-
ультразвуковой — прибор для измере-
измерения фазовой скорости с и коэфф.
поглощения а УЗ, принцип действия
152
ИНТЕРФ ЕРОМЕТР
к-рого основан на интерференции
акустич. волн (см. Интерференция
звука). Типичный УЗ-вой И. (рис. 1)
представляет собой акустич. камеру 1
с исследуемой средой, в к-рой пьезо-
пьезоэлектрическим преобразователем 2 воз-
возбуждаются УЗ-вые волны. Высоко-
Высокочастотное напряжение на пьезопре-
образователь поступает от стабили-
стабилизированного по частоте и амплитуде
генератора 3 с большим внутренним
сопротивлением (генератора тока) и
измеряется схемой регистрации 4.
На нек-ром расстоянии I от пьезо-
преобразователя расположен плоский
рефлектор 5, от к-рого отражается
УЗ-вая волна и к-рый может пере-
перемещаться вдоль направления рас-
распространения УЗ. Расстояние от реф-
рефлектора до пьезопреобразователя из-
измеряется отсчётным механизмом в.
Плоскости рефлектора и пьезопре-
пьезопреобразователя устанавливаются строго
Рис. 1. Блок-схема ин-
интерферометра: 1 — аку-
акустическая камера; 2 —
пьезопреобразователь;
3 — генератор высоко-
высокочастотного напряже-
напряжения; 4 — схема реги-
регистрации; 5— рефлек-
рефлектор; 6 — отсче'тный ме-
механизм; 7 — юстировоч-
ное устройство.
параллельными друг к другу с по-
помощью котировочного устройства 7.
Принцип измерения с и а УЗ-вымИ.
удобно рассматривать в предположе-
предположении о том, что акустич. поле в камере
И. является полем плоских волн, мно-
многократно отражённых от рефлектора и
поверхности преобразователя. Такое
предположение справедливо при усло-
условии равномерного распределения амп-
амплитуд и фаз колебательной скорости
по поверхности преобразователя,
пренебрежения влиянием стенок акус-
акустич. камеры, а также при условии, что
поперечные размеры преобразовате-
преобразователя и рефлектора значительно больше
длины волны УЗ.
Сопротивление акустич. нагрузки
преобразователя при соблюдении всех
этих условий зависит от расстояния I
по периодич. закону с периодом А/2,
где Я — длина волны УЗ в исследуе-
исследуемой среде. Реакция акустич. нагрузки
определяется по величине электрич.
напряжения U на преобразователе.
Способ измерений поясняется экви-
эквивалентной схемой УЗ-вого И., при-
приведённой на рис. 2. При совпадении
частоты / генератора Е с резонансной
Рис. 2. Эквивалентная схема интерферо-
интерферометра; Е — источник высокочастотного
напряжения; Z,- — внутреннее сопротивле-
сопротивление генератора; L — компенсирующая ин-
индуктивность; С — ёмкость зажатого пьезо-
пьезопреобразователя; Za — эквивалентный ме-
механический импеданс акустической нагр5тз-
ки пьезопреобразователя; ZBX — входное
сопротивление схемы регистрации; U —
напряжение на пьезопреобразователе.
частотой колебательного контура
LC, добротность к-рого Q, и при
малых потерях в самом преобразова-
преобразователе, а также при выполнении усло-
условий, отвечающих постоянству то-
тока \Z{\ > IZamaxl. I Z{ | » | ZBX | и
2л/LQ > |Zamax|, напряжение U на
входе схемы регистрации будет про-
пропорционально эквивалентному ме-
ханич. импедансу акустич. нагрузки
Za преобразователя:
s \ 1 + 2r cos 6 + ;
2rsin6 \
x 1 + 2r cost) + r*) '
где г = | Г|-ехр (—2al), 0= Bл1/Х)—
—я, Г — коэфф. отражения от реф-
рефлектора, Rs— эквивалентное меха-
нич. сопротивление нагрузки преоб-
преобразователя при излучении в полу-
полубесконечную исследуемую среду. Ве-
i -ЛЛ--
Рис. 3. Кривая реакции — зависимость
напряжения на пьезопреобразователе от
расстояния между рефлектором и пьезо-
преобразователем.
личина | U\ при перемещении рефлекто-
рефлектора периодически изменяется, как и
Za, от максимального до минималь-
минимального значения с периодом к/2 (рис. 3).
ИНТЕРФЕРОМЕТР
153
Искомая скорость УЗ определяется
как с = kf, где к измеряется по
интервалам между экстремумами кри-
кривой реакции, т. е. зависимости U(l),
а коэффициент поглощения а может
быть найден либо по спаду экстрему-
экстремумов кривой реакции, либо по их ши-
ширине.
Точность измерений с помощью та-
такого И. будет тем выше, чем лучше
выполняются указанные выше соот-
соотношения между импедансами в экви-
эквивалентной схеме И. Основным источ-
источником систематич. погрешностей явля-
является отличие реальных условий изме-
измерения от условий, отвечающих рас-
распространению плоской волны вдоль
оси камеры: при несоблюдении соот-
соотношений между длиной волны и раз-
размерами камеры, преобразователя и
рефлектора в И. возникают дифрак-
дифракционные эффекты (см. Дифракция
звука), искажающие результаты изме-
измерений. Систематические погрешности
возникают и вследствие непараллель-
непараллельности рефлектора и преобразователя,
а также из-за неравномерного распре-
распределения амплитуд и фаз колебатель-
колебательной скорости по поверхности преоб-
преобразователя. При этом в акустич. каме-
камере появляются, помимо основной, до-
дополнительные нормальные волны и на
кривой реакции возникают дополни-
дополнительные экстремумы (сателлиты), ис-
искажается форма огибающей кривой
реакции и изменяются интервалы меж-
между основными экстремумами.
Реально достижимые минимальные
погрешности измерения скорости УЗ
зависят от коэфф. поглощения в ис-
исследуемой среде и для малого погло-
поглощения (а//2 < 200-10"" см • с2) со-
составляют 10~4 — 10~6. Погрешность
измерения а на частотах мегагерцево-
мегагерцевого диапазона составляет B—20)-10~2
и также зависит от абсолютного значе-
значения коэфф. поглощения. Для исключе-
исключения дифракционных погрешностей,
имеющих место в реальных условиях
измерений, необходимо вводить по-
поправки, корректного расчёта к-рых
для рассмотренных выше условий
измерения не существует. Количест-
Количественный учёт дифракционных попра-
поправок может быть выполнен только для
режима бегущей волны, т. е. в от-
отсутствии многократных отражений
в акустич. камере. Такой режим
осуществляется в И., акустич. каме-
камера к-рого содержит вместо рефлекто-
рефлектора перегиещаемый приёмный преобра-
преобразователь. Режим бегущей волны реа-
реализуется здесь путём электрич. согла-
согласования приёмника с исследуемой
средой, т. е. шунтированием его актив-
активным сопротивлением, равным экви-
эквивалентному сопротивлению нагрузки
преобразователя. Принятый приём-
приёмным преобразователем и преобразо-
преобразованный сигнал складывается с элект-
электрич. сигналом генератора высокоча-
высокочастотного напряжения. При перемеще-
перемещении приёмника относительно излуча-
излучателя амплитуда суммарного сигнала
изменяется периодически от минималь-
минимального до максимального значения с пе-
периодом, равным к.
В ряде случаев, напр, при измере-
измерениях скорости и поглощения УЗ
в твёрдых телах, не представляется
возможным перемещать рефлектор или
приёмный преобразователь относитель-
относительно излучателя. В этом случае изме-
изменяют частоту генератора и искомую
скорость определяют по частотам,
соответствующим экстремальным зна-
значениям выходного сигнала, а коэффи-
коэффициент поглощения — по ширине экс-
экстремумов.
Разновидностью УЗ-вого И. явля-
является импульсный И., применяемый
либо при измерениях акустич. па-
параметров в образцах малой толщины,
либо в тех случаях, когда по условиям
измерений невозможно создать режим
бегущей волны.
.Лит.: Колесников А. Е., Ульт-
Ультразвуковые измерения, М., 1970; Крас-
нушкин П. Е., «Учен, записки МГУ»,
1944, в. 74, о. 73—86; Волейшис А.,
Яронис Э., Акустический цифровой
интерферометр для исследования дисперсии
скорости ультразвука в жидкостях в диапа-
диапазоне 1ЖСтот 0,25—1250 Мгц, в кн.: Науч-
Научные труды вузов Литовской ССР. Ультра-
Ультразвук, в. 5, Вильнюс, 1973; Иванов В. Е.,
Некоторые особенности измерения скорос-
скорости ультразвука в твердых телах интерферо-
метрическим методом, в кн.: Вопросы ме-
методики ультразвуковой интерферометрии.
Тр. 2-й Всесоюзной конференции, т. 2,
Вильнюс, 1967; ХимунинА.,Дрож-
жин П., К вопросу о влиянии формы
кривой реакции на точность измерения ско-
скорости звука в жидкостях интерферометри-
ческим способом, там же.
Б. Е. Михалёв, А. С. Химунип,
к
КАВИТАЦИОННАЯ ЭРОЗИЯ -
разрушение поверхности твёрдых тел
под действием кавитации. Возникно-
Возникновение кавитации в жидкости, контак-
контактирующей с поверхностью твёрдого
тела, чаще всего с металлом, приво-
приводит к его разрушению. Вначале ме-
таллич. поверхность становится шеро-
шероховатой, появляется рельефность, раз-
развиваются впадины и неровности. При
достаточном времени кавитационно-
го воздействия разрушение распростра-
распространяется вглубь и может быть даже
сквозным, что приводит к значитель-
значительным потерям металла и выходу из
строя ответственных деталей. Сущест-
Существенному разрушению подвергаются де-
детали гидросооружений, работающих
в жидкости в условиях гидродинамич.
кавитации.
К. э., возникающая при акустич.
кавитации, играет как отрицатель-
отрицательную, так и положительную роль.
Напр., К. э. вызывает разрушение
диафрагм и звукопроводов излучаю-
излучающих систем, сокращая срок службы
УЗ-вых преобразователей. Вместе
с тем К. э. успешно используется
в ряде процессов УЗ-вой технологии:
она играет определяющую роль в про-
процессах УЗ-вой очистки при разруше-
разрушении и удалении загрязнений, прочно
связанных с поверхностью твёрдого
тела (окалина, нагары, смолистые
осадки и др.). Однако в отсутствии
необходимого контроля за развитием
К. э. при очистке могут повреждать-
повреждаться поверхность прецизионных дета-
деталей приборной техники, поверхность
ювелирных изделий, разрушаться
тончайшие проводники полупроводни-
полупроводниковых приборов и др. К. э. позволяет
получать материалы сверхтонкой дис-
дисперсности (см. Диспергирование), что
необходимо, напр., в порошковой ме-
металлургии (см. Ультразвук в метал-
металлургии), в технологии изготовления
нек-рых керамич. и полупроводни-
полупроводниковых материалов, при изготовлении
высокодисперсных люминофоров для
электроннолучевых приборов, в фар-
макологич. промышленности. К. э.
используется для снятия заусенцев
и сглаживания острых кромок на
поверхности прецизионных деталей,
применяемых в приборостроении,
электронной технике, часовой про-
промышленности, оптико-механич. про-
производстве и др.
Физический механизм
К. э. в акустич. поле определяется
в основном микроударным воздейст-
воздействием при захлопывании кавитацион-
ных пузырьков и возникающими при
их пульсациях акустич. микропото-
микропотоками. Кавптационные пузырьки кон-
концентрируются на поверхности твёр-
твёрдого тела преимущественно на не-
неровностях и в микротрещинах, на
мельчайших твёрдых частицах и га-
газовых пузырьках в жидкости. Много-
Многократные гидравлич. удары, возникаю-
возникающие при их захлопывании, вызывают
локальное разрушение поверхности.
После этого под действием акустич.
микропотоков жидкость проникает
внутрь образовавшихся углублений,
где разрушающее действие ударных
волн становится ещё более эффектив-
эффективным, и разрушение распространяется
всё глубже.
Количественно К. э. оценивают без-
безразмерным критерием эрозионной ак-
активности жидкости К, величина ко-
которого определяется изменением объё-
объёма кавитационного пузырька за долю
периода, приходящуюся на стадию за-
захлопывания. Для сферического пу-
пузырька
К =
где / — частота колебаний, At— время
захлопывания, Ятах и Ятт — макси-
максимальный и минимальный радиусы пу-
пузырька. Эрозионная активность зави-
зависит от параметров звукового поля,
физико-химич. свойств жидкости и
избыточного давления в объёме жид-
жидкости, а именно: от поверхностного
натяжения, плотности жидкости, час-
частоты /, коэфф. вязкости, упругости
насыщенного пара, амплитуды звуко-
звукового давления ра, избыточного ста-
тич. давления Ро (параметры пере-
перечислены последовательно по мере воз-
возрастания их роли в увеличении К).
КАВИТАЦИОННАЯ ЭРОЗИЯ
155
Величиной К. э. можно управлять
путём подбора определённых соотно-
соотношений между звуковым и статическим
давлением. Под действием Ро проис-
происходит сдвиг во времени стадии за-
захлопывания кавитационного пузырь-
пузырька (рис. 1), существенно увеличивает-
увеличивается скорость захлопывания и резко
возрастает интенсивность образовав-
образовавшейся ударной волны. При нормаль-
нормальном давлении расширение пузырька
не заканчивается в полупериод отри-
отрицательного давления звуковой волны
вследствие инерции жидкости, а на-
нарастающее звуковое давление пре-
препятствует процессу его расширения.
В результате начальная стадия сжатия
запаздывает и захлопывание пузырь-
пузырька приходится на начало следующего
полупериода отрицательного звуково-
звукового давления (кривая 1), что приводит
к ослаблению ударной волны. При
чрезмерном повышении статич. дав-
500
300
200
100
70
^ 50
S 30
*
I
1
/1
//
/j
//
-
A
if
/¦
I
u
(I
-
--2
1
У
0 10 20 30 40 50 60 t-W*c
Рис. 1. Изменение радиуса кавитационно-
кавитационного пузырька R во времени при постоян-
постоянном ра — 10е Па и f = 2 • 104 Гц. Кривые
соответствуют: 1 — Ро — Ю5 Па A ат);
2 — Р„ = 5 • 105 Па E ат); 3 — Ра = 10е Па
A0 ат).
ления, когда Ро — ра (кривая 3),
пузырёк совершает сложные негар-
монич. колебания и кавитационное
воздействие незначительно. Наиболь-
Наибольшее кавитационное воздействие имеет
место при Ро = 0,4—0,5 ра (кри-
(кривая 2). В этом случае на кавитацион-
ный пузырёк в стадии захлопывания
действуют в одном
направлении ста-
статич. давление, по-
поверхностное натя-
натяжение и звуковое
давление, близкое к
амплитудному зна-
значению. Кавитацион-
ный пузырёк стре-
стремительно захлопыва-
захлопывается, иуровень К. э.
Рис. 2. Схема уль-
ультразвуковой установ-
установки, работающей под
избыточным статиче-
статическим давлением: 1 —
преобразователь; 2 —
излучатель; S — ка-
камера, соединённая с
баллоном со сжатым
газом; 4 — вход и вы-
выход охлаждающей во-
воды.
возрастает на 2—3 порядка.
Для получения повышенного ста-
статич. давления применяются специ-
специальные установки (рис. 2), где в ка-
качестве источника колебаний исполь-
используется стержневой магнитострикци-
онный преобразователь мощностью
4,5 кВт, работающий на частотах
18—22 кГц. Постоянство амплиту-
амплитуды колебаний обеспечивается схемой
обратной акустич. связи. Материалы
для диспергирования или детали для
снятия заусенцев помещаются в гер-
герметически закрываемую камеру объё-
объёмом до 1,5 л. Избыточное статич.
давление в пределах 4—6 атм создаёт-
создаётся в камере над жидкостью сжатым
газом от баллонов или компрессора.
При диспергировании на таких уста-
установках предварительно измельчённых
минералов, металлич. и полупровод-
полупроводниковых материалов, керамики и т. и.
достигается конечная дисперсность
— нескольких мкм, а для ряда ма-
материалов — долей мкм при продол-
продолжительности УЗ-вой обработки 20—
30 мин.
Кавитационно-абразив-
ная эрозия. Для повышения
эрозионной активности жидкости
в неё вводят тонкодисперсные абра-
абразивные частицы размером 5—10 мкм,
напр, карбида бора, корунда. Такой
способ применяют для удаления за-
заусенцев и острых кромок с поверх-
поверхности прецизионных деталей (см.
Механическая обработка); дри этом
156
КАВИТАЦИЯ
Рис. З. Кинограммы разрушения заусенци !!¦ i_¦ >¦¦ ил ¦¦ ¦_ ¦_._1ц.иия на пластинке из
органического стекла: а — заусенцы 1 и 2 до включения ультразвука; б — отде-
отделение заусенца 1, слабо связанного с пластиной, через 0,1с после включении
ультразвука; в — возникновение трещины 3 у основания крупного заусенца 2 через
1с после включения ультразвука.
детали подвергаются дополнительной
обработке абразивными частицами.
При попадании в зону развитой кави-
кавитации разрушается прежде всего осно-
основание заусенца (рис. 3), где преиму-
преимущественно сосредоточиваются кави-
тационные пузырьки. Вне зоны ка-
кавитации разрушается верхняя острая
кромка, срезаемая частицами абра-
абразива. В качестве рабочей жидкости
применяется смесь глицерина и воды
в равных количествах с добавлением
30—40% (по объёму) порошка кар-
карбида бора. Продолжительность кави-
тационно-абразивной обработки на ус-
установках, работающих под повышен-
повышенным статич. давлением, составляет
15—20 мин в зависимости от величины
и формы заусенцев, материала и кон-
конфигурации деталей и качества абра-
абразива. В водно-глицериновой жидко-
жидкости удаляются заусенцы высотой до
40—50 мкм. Более крупные заусенцы
(до 100 мкм) возможно снять в хими-
химически активных средах с использо-
использованием для волноводно-излучающих
систем кавитационно-коррозионно-
стойких сплавов.
Лит.: Агранат Б. А., в кн.: Ин-
Интенсификация процессов извлечения метал-
металлов из руд в ультразвуковом поле, М., 1969,
с. 17—41; Богаче» И. Н., Кавита-
ционное разрушение и кавитационностой-
кие сплавы, М., 1972; Физические основы
ультразвуковой технологии, М., 1970 (Фи-
(Физика и техника мощного ультразвука, кн.
3); А г р а н а т Б. А. и д р., Ультразву-
Ультразвуковая технология, М., 1974. Б. А. Агранат.
КАВИТАЦИЯ — образование в
жидкости пульсирующих пузырьков
(каверн, полостей), заполненных па-
паром, газом или их смесью. Разли-
Различают акустическую К., воз-
возникающую при прохождении звуко-
звуковой волны большой интенсивности,
и гидродинамическую, об-
обусловленную сильным локальным по-
понижением давления в жидкости вслед-
вследствие больших скоростей течения.
В интенсивной звуковой волне во
время полупериодов разрежения воз-
возникают кавитационные пузырьки,
к-рые резко захлопываются после пе-
перехода в область повышенного давле-
давления, порождая сильные гидродина-
мич. возмущения в жидкости, интен-
интенсивное излучение акустич. волн и вы-
вызывая разрушение поверхностей твёр-
твёрдых тел, граничащих с кавитирующей
жидкостью.
Возникновение кавитации. Кави-
Кавитационные пузырьки образуются в тех
местах, где давление Р в жидкости
становится ниже некоторого критич.
значения Рк, соответствующего поро-
порогу К. Для идеальной однородной
чистой жидкости вероятность спон-
спонтанного образования пузырьков ста-
становится заметной лишь при доста-
достаточно больших растягивающих на-
напряжениях, напр, для воды теоретич.
величина Рк близка к—1,5-108Па =
=—1500 кгс/см2; реальные жидкости
менее прочны. Максимальное растя-
растяжение тщательно очищенной воды,
достигнутое при 10 °С, составляет
—2,8-ЮШа = —280 кгс/см2. В обыч-
обычных условиях разрывы сплошности
жидкости возникают при давлениях,
лишь немного меньших давления
насыщенного пара при данной темп-ре.
Низкая прочность реальных жидкос-
жидкостей связана с наличием в них т. н.
зародышей кавитации — микроскопич.
газовых пузырьков, твёрдых частиц
с трещинами, заполненными газом,
и т. д.
К. возникает в результате потери
устойчивости зародышей, попадаю-
попадающих в область пониженного давления
в звуковой волне, и быстрого их роста.
Процесс расширения пузырьков-за-
родышей обусловлен рядом эффектов:
давлением газа и пара в пузырьке,
превышающим давление в окружаю-
окружающей жидкости; диффузией газа в пу-
КАВИТАЦИЯ
157
зырёк из жидкости; испарением жид-
жидкости и увеличением массы пара
в пузырьке; коагуляцией зароды-
зародышей.
Первый из перечисленных механиз-
механизмов играет основную роль в образо-
образовании каверны при резком пониже-
понижении давления в жидкости с малым
содержанием газа в области темп-р,
далёких от точки кипения. Микро-
скопич. пузырёк, попадая в область
разрежения, сильно расширяется в
результате того, что давление Q
содержащихся в нём пара и газа ока-
оказывается превосходящим суммарное
действие поверхностного натяжения
и давления Р в жидкости. Скорость
расширения пузырька в этом слу-
случае определяется импульсом, к-рый
получают окружающие слои жидко-
жидкости под действием давления Q пара
и газа в пузырьке, и приближённо
выражается ф-лой: и «& К<?/р, где
Q ;¦> Р, р —плотность жидкости. При
Q — 105Па и = 103 см/с, т. е. при
достаточно резком понижении давле-
давления пузырёк быстро расширяется.
Диффузионный механизм обычно
проявляется при сравнительно мед-
медленных изменениях давления (т. е.
при низких частотах) в жидкости
с большим газосодержанием. При
расширении пузырька концентрация
газа в нём падает, и газ диффундирует
из жидкости в пузырёк. Скорость
диффузионного расширения пузырька
ц =&— у—, где рг — плотность газа
в пузырьке, С — массовая концентра-
концентрация растворённого газа, D — коэфф.
диффузии газа в жидкости (для воз-
воздуха в воде />=к2-10 смг/с), t —
время. Скорость этого процесса не-
невелика; так, напр., « свежей водо-
водопроводной воде (С = 10~7 г/см2) пу-
пузырёк достигает радиуса R = 10~5 см
за время t = 10 мин.
При повышении звукового давления
пузырёк сжимается, и происходит
диффузия газа из пузырька в жид-
жидкость. Количество продиффундировав-
шего газа пропорционально площади
поверхности пузырька, к-рая в ста-
стадии расширения больше, чем в ста-
стадии сжатия. В силу этого полной
компенсации диффузионных потоков
не происходит; масса газа, заполнив-
заполнившего пузырёк в процессе его расшире-
расширения, превышает массу газа, ушед-
ушедшего из пузырька при его сжатии,
так что в целом за период количество
газа в пузырьке возрастает. Это явле-
явление наз. выпрямленнойдиф-
фузией (или направленной
диффузией), оно вызывает рост
пузырька в поле переменного дав-
давления.
Процесс диффузии может существен-
существенно ускориться при поступательном
движении пузырька, когда происходит
непрерывная замена слоев жидкости
с обеднённым содержанием газа све-
свежими слоями. По этой причине диф-
диффузионные эффекты заметно сказы-
сказываются на эволюции осциллирующих
пузырьков или пузырьков, находя-
находящихся в неоднородном по пространст-
пространству поле давления, а также пузырьков,
у к-рых возбуждены несферич. мо-
моды пульсаций, что вызывает интен-
интенсивные перемещения пузырька («тан-
(«танцующий пузырёк») и генерацию мик-
микропотоков, омывающих пузырёк.
Бели темп-pa жидкости близка
к точке кипения, то доминирующий
вклад в образование пузырька вносит
испарение жидкости; такие процессы
наблюдаются, напр., при возникнове-
возникновении К. в криогенных жидкостях.
При понижении давления в жидко-
жидкости пузырёк-зародыш начинает расши-
расширяться под действием разности давле-
давлений внутри и вне его. При этом про-
происходит интенсивное испарение жид-
жидкости с поверхности пузырька, при-
приводящее к охлаждению прилегающих
слоев жидкости и пара в пузырьке.
Разность темп-р вызывает поток тепла
от жидкости к пузырьку, идущий на
испарение жидкости, что и обеспе-
обеспечивает рост пузырька.
При повышении звукового давле-
давления в жидкости картина обратна.
Конденсация пара на поверхности
пузырька приводит к повышению
темп-ры и выравниванию давлений
в пузырьке и в жидкости, после чего
процесс захлопывания происходит в
результате отвода тепла из пузырь-
пузырька в жидкость. Однако, так же как и
в случае диффузионного механизма,
из-за неполной компенсации потоков
тепла на стадиях расширения и сжа-
сжатия пузырька имеет место эффект
выпрямленной теплопередачи, приво-
приводящий к росту пузырька в среднем за
период. Этот механизм оказывается
определяющим в случае достаточно
малых пузырьков. Рост более крупных
зародышей (R > 10~5 см) обычно бы-
158
КАВИТАЦИЯ
вает обусловлен другим механизмом.
При пульсации паровых пузырьков
вследствие неадиабатичности процесса
изменения состояния вещества в них
в пузырьках выделяется энергия, при-
приводящая к нагреванию и испарению
жидкости в пузырёк.
Звуковое поле в жидкости, вызы-
вызывающее К., обычно неоднородно по
пространству. Это приводит к тому,
что, наряду с пульсациями, пузырёк
двигается поступательно. В стоячей
УЗ-вой волне направление движения
пузырька зависит от соотношения
между его радиусом R и радиусом
Лрез пузырька, частота собственных
колебаний к-рого совпадает с частотой
УЗ-вой волны. При размере пузырька
меньше резонансного (R < Ярез) ПУ~
зырьки пульсируют в фазе с колеба-
колебаниями давления и мигрируют по
направлению к пучности давления,
а при R > Лрез пузырьки переме-
перемещаются к узлам давления. Скорость
таких поступательных (т. н. транс-
трансляционных) движений пузырька ра-
радиуса Ro при гидростатич. давлении
Р„, находящегося в звуковом поле,
равна:
11 ~ Ют) (Ро + 4о73Я„) Ра ~дх~ '
Здесь ра — звуковое давление, созда-
создаваемое звуковым полем, т) — коэфф.
вязкости жидкости, а — коэфф. по-
поверхностного натяжения, х — прост-
пространственная координата. Для пузырь-
пузырька с R,) = 10~2 см в поле стоячей
волны, длина к-рой X = 10 см, амп-
амплитуда давления ра= 0,4 атм и
т) = 10~2 пуаз, и = 10 см/с при
Р„~ 1 атм. Трансляционное движе-
движение пузырьков является причиной
коагуляционного механизма роста ка-
каверн. Напр., кавитационная каверна
в фокусе УЗ-вого концентратора мо-
может образоваться в результате коагу-
коагуляции движущихся центростремитель-
центростремительно пузырьков. Одновременно с этим
из фокальной области могут выбра-
выбрасываться пузырьки, размеры к-рых
превышают резонансный, образуя
часто наблюдаемые «развевающиеся»
потоки пузырьков.
При возникновении К. в реальных
условиях описанные механизмы роста
пузырьков проявляются в большей
или меньшей степени в зависимости
от состояния жидкости и характерис-
характеристик звукового поля.
Количественно момент возникнове-
возникновения К. и степень её развития харак-
характеризуют числом кавитации
х = (где Рн — давление насы-
Ра
щенного пара, ра — амплитуда зву-
Рис. 1. Зависи-
Зависимость критическо-
критического значения ам-
амплитуды звуково-
звукового давления рк
от газосодержа-
газосодержания воздуха (в %
от насыщения) в
0.01 0.1 1,0 10 100
X содержание воздуха
воде (J) и бензине B) при комнатной темпе-
температуре и атмосферном давлении.
нового давления), т. е. амплитудой
понижения давления в жидкости.
Момент возникновения К. характе-
характеризуют критич. числом К. хн,
к-рому соответствует критич. зна-
значение звукового давления рк. Обе
эти величины зависят от многих па-
параметров, характеризующих как со-
состояние жидкости — газосодержание
ю
I02 f'./ИГц
Рис. 2. Зависимость критического значения
амплитуды звукового давления рк от ча-
частоты звука для свежей A)и отстоявшейся
B) воды при комнатной температуре и ат-
атмосферном давлении.
(рис. 1), температура, наличие при-
примесей, так и звуковое поле — частота
(рис. 2), длительность излучаемого
импульса и т. д.
Динамика кавитационных пузырь-
пузырьков. Возникшие в звуковом поле
навигационные полости интенсивно
пульсируют. Пульсации полостей мо-
могут сопровождаться сильным иска-
искажением сферич. формы и даже дробле-
дроблением пузырьков; пульсируя, пузырь-
пузырьки перемещаются поступательно и
иногда сливаются друг с другом. Тем
не менее многие важные проявления
К. могут быть объяснены на основе
простейшей модели одиночного сфери-
сферического пузырька.
Его эволюция в поле давления, пе-
периодически меняющегося со временем,
определяется соотношением периода
изменения давления Т и периода
КАВИТАЦИЯ
159
собственных колебаний пузырьцаи т,
растущего с увеличением радиуса^ пу-
пузырька и зависящего от амплитуды
избыточного давления. Малые пу-
пузырьки, у к-рых т <[ Т, совершают
вынужденные пульсации, следуя из-
изменению звукового давления в волне
до тех пор, пока его амшщз^а не-
невелика. При увеличения амплитуды
пузырёк не успевает следовать изме-
изменению давления. Быстро расширяясь
в течение полупериода растяжения,
он, в силу инерции жидкости, не
успевает захлопнуться, а лишь не-
несколько уменьшает свой радиус в те-
течение последующего полупериода
сжатия (рис. 3), и захлопывание
Рис. 3. Зависимость относительного рцриу-
са R/Ro пузырька, пульсирующего в зву-
звуковом поле частоты /=500 кГц, от без-
безразмерного времени rot. Начальный ра-
радиус пузырька До = 10~4 см. Цифры около
кривых — амплитуда давления р„ в атм.
Изменение звукового давления во времени
изображено на нижнем графике.
полости приходится на начало сле-
следующего полупериода растяжения.
Т. о., захлопывание пузырька может
происходить с пропуском одного или
даже нескольких полупериодов сжа-
сжатия при достаточно большой ампли-
амплитуде звукового давления. Степень сжа-
сжатия пузырька при захлопывании, ха-
характеризуемая отношением макси-
максимального радиуса пузырька Ятах к
минимальному Ятт> Тем больше,
чем больше давление в жидкости
р = Ро + ра и меньше газосодер-
газосодержание в нём, характеризуемое дав-
давлением Q:
Дшах _ ГРG- 1)]Уз(Т- 1)
fimin L Q \
здесь 7 = Ср/Су — отношение тепло-
ёмкостей при постоянном давлении
и объёме. Если пузырёк содержит
много газа, то после достижения им
минимального радиуса он восстанав-
восстанавливается и совершает несколько цик-
циклов затухающих колебаний, а если
газа мало, то он захлопывается пол-
полностью в первом периоде жизни.
В результате адиабатич. сжатия газ
и пар (к-рый при больших скоростях
изменения объёма пузырька ведёт
себя как газ) нагреваются до темп-ры
~ 104К, чем, по-видимому, и вызы-
вызывается свечение пузырьков (звуколю-
минесценция) и частичная ионизация
содержащегося в нём газа. Макси-
Максимальное давление Pma% в пузырьке,
соответствующее его минимальному
размеру, приближённо выражается
ф-лой:
Максимальная скорость захлопыва-
захлопывания достигается в окрестности ми-
минимального радиуса пузывька и мо-
может быть весьма^ёсмйГЕкой /даже стать
сравнимой со скороедь^у- з^вука в жид-
жидкости). Вследствие потери устойчи-
устойчивости формы пузырька- его захлопы-
захлопывание может происходить несиммет-
несимметричным образом, приводя к образова-
образованию кумулятивных струй жидкости,
радиус к-рых по~ггоря|д,ку величины ха-
характеризуется" минимальным радиусом
пудырька, а скорость близка к скоро-
скорости захлопывания. Несимметричность
/процесса захлопывания может также
приводить к распаду пузырька на мно-
множество мелких пузырьков, к-рые ста-
становятся новыми зародышами К.
Степень развития К., характер её
протекания и воздействия могут изме-
изменяться при варьировании газосодер-
газосодержания в жидкости, гидростатич. дав-
давления и т. д., что открывает возмож-
возможность управления кавитационными
явлениями. Так, если наряду со знако-
знакопеременным звуковым давлением в
жидкости создать избыточное гидро-
гидростатич. давление, то можно увеличить
интенсивность нек-рых кавитационных
эффектов (см. Кавипгационная эрозия),
что и используется в установках
УЗ-вой технологии.
Кавитационные эффекты. В кави-
тационной области возникают мощ-
мощные гидродинамич. возмущения в виде
сильных импульсов сжатия (микро-
(микроударных волн) и микропотоков, по-
порождаемых пульсирующими пузырь-
пузырьками. Кроме того, захлопывание пу-
пузырьков сопровождается сильным ло-
локальным разогревом вещества, а так-
160
КАВИТАЦИЯ
Же выделением газа, содержащего
атомарную и ионизованную компо-
компоненты. В результате этого вещество
в кавитационной области подверга-
подвергается интенсивным воздействиям. Это
проявляется в разрушении поверх-
поверхностей твёрдых тел, находящихся в
области К.,— в кавитационной эро-
эрозии. Даже достаточно прочные ве-
вещества, такие, как сталь, кварц, раз-
разрушаются под действием захлопыва-
захлопывающихся пузырьков. Этим пользуются
в УЗ-вой технологии для разруше-
разрушения и диспергирования твёрдых тел.
В установках УЗ-вой очистки по-
поверхностей деталей кавитационная
эрозия обусловливает удаление за-
загрязнений, жёстко связанных с по-
поверхностью, типа окалины и т. п.
Для удаления т. н. мягких загрязне-
загрязнений типа жировых плёнок основную
роль играют микропотоки и пульси-
пульсирующие пузырьки. Этот же эффект
используется при интенсификации
электролитич. процессов в УЗ-вом
поле (см. Воздействие ультразвука на
электрохимические процессы). Изме-
Изменяя условия протекания К., можно
усиливать или ослаблять различные
кавитационные эффекты. Так, с рос-
ростом частоты звука увеличивается роль
микропотоков и уменьшается кави-
кавитационная эрозия. С увеличением
гидростатич. давления, напротив, воз-
возрастает амплитуда давления в импуль-
импульсе сжатия. В установках УЗ-вой очист-
очистки первый из этих режимов применя-
применяется в случае обработки мелких хруп-
хрупких деталей, напр, элементов микро-
микроэлектроники, второй — в случае уда-
удаления окалины и даже заусенцев
с металлич. деталей. Кавитационную
эрозию используют для оценки ин-
интенсивности К. по разрушению тонкой
алюминиевой фольги, помещаемой в
кавитационную область. Воздействием
на вещество в зоне К. пользуются для
получения мелкодисперсных эмуль-
эмульсий несмешивающихся жидкостей (см.
Эмульгирование), для возбуждения
я ускорения химических реакций
(см. Химическое действие ультразвука),
для уничтожения вредных микроор-
микроорганизмов, экстрагирования из жи-
животных и растительных клеток фер-
ферментов и т. д. К. может сопровождать-
сопровождаться химич. и электрич. эффектами,
приводящими, в частности, к корро-
коррозии вещества и электрохимич. явле-
явлениям; с другой стороны, имеются
данные о влиянии электрич. тока
и магнитного поля на процесс возник-
возникновения и развития К.
Возникновение К. уменьшает волно-
волновое сопротивление жидкости и, сле-
следовательно, сопротивление акустич.
нагрузки на УЗ-вой излучатель, что
Рис. 4. Зависимость рс
отношения волно- ас
вого сопротивления ,п
кавитирующей жид- '¦
кости рс~к волно- °'8
вому сопротивле- 0-6
нию рс чистой жид- 0,4
кости от напряже- о 2
ния U на излуча- ' 1 . ¦ . .^—
теле. 50 100 150 200 и,В
ограничивает интенсивность излуче-
излучения (рис. 4). Образование К. в крио-
криогенных жидкостях на центрах иониза-
ионизации используется для визуализации
треков частиц высоких энергий в
УЗ-вых пузырьковых камерах.
Акустическое излучение кавитации.
При захлопывании пузырька возни-
возникают сильные возмущения прилегаю-
прилегающих слоев жид-
жидкости, распро- 9
страняющиеся
в виде звуко-
звуковых волн конеч-
конечной амплитуды,
а при достаточ-
достаточно резком за-
захлопывании — \ '
даже в виде
слабых удар- Рис 5 форма импуль_
ных волн, сшер- са давления, излучае-
гия излучаемой мого при захлопыва-
волны W растёт нпи пузырька,
с увеличением
скорости захлопывания и выражается
через энергию пульсации полости Е
ф-лой: W ^ 2Еи/с. Максимальное дав-
давление в волне сжатия на расстоянии
г от пузырька равно: р = Ргаах Rmin/r,
а характерная длительность импульса
сжатия 9 ~ Ят;п /и (рис. 5).
10 102
Частота f, кГц
Рис. 6. Спектр кавитационного шума,
вызванного волной частоты 17 5 кГц.
КОАГУЛЯЦИЯ
161
Если степень развития К. такова,
что в случайные моменты времеан
возникает и захлопывается множест-
множество пузырьков, то вызванное ими
акустич. излучение проявляется в ви-
виде сильного шума со сплошным спект-
спектром в полосе от нескольких сотен Гц
до сотен и тысяч кГц. На фоне сплош-
сплошного спектра кавитационного шума
обычно наблюдаются отдельные дис-
дискретные субгармонич. компоненты,
отражающие частотный спектр поля,
вызывающего К. (рис. 6). Их присут-
присутствие является характерным призна-
признаком К. и используется при экспери-
экспериментальной регистрации её возник-
возникновения.
Лит.: Корнфельд М., Упругость
и прочность жидкостей, М.—Л., 1951,
гл. 5; П е р н и к А. Д., Проблемы кави-
кавитации, 2 изд., Л., 1966; Кнэпп Р.,
Дейли Дж,, Хэммит Ф., Кавита-
Кавитация, пер. с англ., М., 1974; Бергман Л.,
Ультразвук и его применение в науке
и технике, пер. с нем., М., 1956; Мощные
ультразвуковые поля, М., 1968 (Физика и
техника мощного ультразвука, кн. 2);
Левковский Ю. Л., Структура нави-
навигационных течений, Л., 1978.
К. А. Наугольных.
КОАГУЛЯЦИЯ акустиче-
акустическая — процесс сближения и укруп-
укрупнения взвешенных в газе или жидкости
мелких твёрдых частиц, жидких ка-
капелек и газовых пузырьков под дейст-
действием акустич. колебаний звуковых
и УЗ-вых частот. При К. уменьшает-
уменьшается дисперсность (оцениваемая по об-
общей поверхности частиц, отнесённой
к единице объёма) и число частиц
дисперсной системы; в результате ко-
коагуляции происходит осаждение взве-
взвешенных в газе (аэрозоли) или жидко-
жидкости (гидрозоли) твёрдых частиц и
капелек.
Малый размер частиц аэрозоля яв-
является причиной их большой подвиж-
подвижности: частицы участвуют в броунов-
броуновском движении, увлекаются конвек-
конвективными и гидродинамич. течениями.
При наложении звукового поля воз-
возникают дополнительные силы, спо-
способствующие К.: взвешенная в газе
частица вовлекается в колебательное
движение, на неё действует давление
звукового излучения, вызывая её дрейф,
она увлекается акустическими тече-
течениями и т. д. Как известно, между
частицами, движущимися по отноше-
отношению к среде, возникают силы гидро-
гидродинамич. взаимодействия (см. Гидро-
Гидродинамические силы в звуковом поле).
Такие силы, обусловленные звуковым
полем, также могут приводить к быст-
быстрому сближению частиц и вызывать
К. Однако физич. механизм акустич.
К. до конца не ясен. Существующие
гипотезы не имеют достаточного экспе-
экспериментального подтверждения.
Кинетика процесса К. аэрозолей
с достаточной точностью характери-
характеризуется эмпирич. ф-лой: п = п0 eKt,
где п — концентрация частиц, п0 —
концентрация частиц в начальный
момент времени озвучивания (t = 0),
К — коэфф. К. аэрозолей, являю-
являющийся ф-цией физико-хнмич. харак-
характеристик аэрозоля и параметров аку-
акустич. поля. Результаты эксперимента
(рис. 1) для тумана с радиусом
капелек 0,2—1,9 мки и концентра-
концентрацией 15—20 г/м3 находятся в соот-
соответствии с вышеприведённой фор-
формулой.
Акустич. К. практически приме-
применяется для осаждения промышленных
пылей, дымов и туманов. Звуковое
поле создаётся при этом обычно си-
сиренами или свистками. Мелкие ча-
0 2 3 4 5 t,c
Рис. 1. Зависимость степени осаждения
парафинового тумана от времени облуче-
облучения при различных интенсивностях I
ультразвука (частота — 10 кГц): 1 —
1=0,0067 Бт/см2, К = 0,43; 2—1 =
=0,06 Вт/см2, К = 0,92; 3 — 7 = 0,11
Вт/см2, К = 1,28.
стицы, укрупнённые при К., далее
осаждаются фильтрами и обычными
механическими улавливателями, на-
например циклонами (рис. 2). Степень
и скорость очистки газа методом
УЗ-вой К. в основном определяются:
1) интенсивностью звука I; заметная
К. начинается при I s& 0,01 Вт/см2
и с дальнейшим увеличением / ин-
интенсифицируется; для практич. при-
применения необходима интенсивность
/ > 0,1 Вт/см2; 2) временем экспо-
экспозиции, которое зависит от / (при
/ = 1,0 Вт/см2 весь процесс К. про-
протекает в течение нескольких секунд);
3) частотой / (частотная зависимость
162
КОЛЕБАНИЯ
процесса К. точно не установлена,
хотя известно, что оптимальное зна-
значение частоты озвучивания опреде-
определяется дисперсным составом аэро-
аэрозоля: чем мельче частицы, тем выше
/); на практике обычно применяют
акустич. колебания частоты 0,5—
20 кГц; 4) исходной концентрацией
Рис. 2. Схема
промышлен-
промышленной установки
для очистки
газа: J — аку-
акустическая си-
сирена; 2 — по-
подача сжатого
газа или пара
для сирены;
3 — акустиче-
акустическая коагуля-
ционная каме-
камера; 4 — ввод
запылённого
газа; 5 — вы-
выход очищен-
очищенного газа; 6—
циклон; 7 —
коллекторы
пыли.
аэрозоля (применение метода К. рацио-
рационально при концентрации g: 1—2 г/м3,
с увеличением концентрации эффек-
эффективность К. возрастает).
К. гидрозолей протекает в условиях
жидкой дисперсионной среды при час-
частотах озвучивания, лежащих в УЗ-вом
диапазоне. Скорость К. гидрозолей
в осневном также определяется интен-
интенсивностью УЗ (уровнем звукового
давления), однако процесс услож-
усложняется кавитацией, приводящей к дис-
диспергированию и эмульгированию об-
образовавшихся осадков. К. гидрозо-
гидрозолей практически применяется для
очистки жидкостей в химич. и пище-
пищевой промышленности, напр, при обра-
обработке вина.
Лит.: Широкова Н. Л., Коагуля-
Коагуляция аэрозолей, в кн.: Физические основы
ультразвуковой технологии, М., 1970;
Медников Е. П., Акустическая коа-
коагуляция и осаждение аэрозолей, М., 1963;
А г р а н а т Б. А. и др., Ультразвук
в гидрометаллургии, М., 1969.
О. К. Экнадиосянц.
КОЛЕБАНИЯ — многократное по-
повторение одинаковых или близких
к одинаковым процессов. Примеры К.:
качание маятников, движение струн
музыкальных инструментов или воз-
воздуха внутри корпусов духовых му-
музыкальных инструментов, изменение
электрического или магнитного поля
в электромагнитной волне, изменение
толщины пьезопластинки при прило-
приложении переменного электрич. напря-
напряжения к её обкладкам, изменение
длины магнитострикционного стерж-
стержня при пропускании переменного тока
через его обмотку и т. д. Перемещение
частиц среды при распространении
в ней звуковой волны (см. Волны)
также есть К. В акустике главную
роль играют К., связанные с переме-
перемещениями тел или частиц среды вблизи
положения равновесия.
Все виды К., какова бы ни была
их природа, характеризуются одина-
одинаковыми закономерностями, описыва-
описываются одинаковыми ур-ниями, их мож-
можно исследовать общими методами,
разработка и применение к-рых и
составляет задачу теории К. Это по-
позволяет для всех видов К. пользо-
пользоваться одними и теми же понятиями и
применять общую терминологию (пе-
(период, частота, амплитуда, фаза, за-
затухание, резонанс, суперпозиция и
т. д.).
К. связаны с переходом энергии из
одной формы в другую: в механи-
механических и акустических К. это — пере-
переход кинетич. энергии в потенциаль-
потенциальную (обычно упругую энергию) и
обратно.
Наиболее важны в науке и технике
периодич. К., а из них — гармо-
гармонические. Важное свойство нериодич.
К.— возможность представления их
в виде суперпозиции гармонич. К.
с частотами, кратными частоте исход-
исходной волны (ряд Фурье). Обобщение
понятия ряда Фурье позволяет исполь-
использовать понятие гармонич. волн и
при рассмотрении, непериодич. про-
процессов: стационарных статистич. про-
процессов (шумов).
Устройства, способные совершать
К., наз. колебательными системами.
Различают свободные К., вынужден-
вынужденные К., а также К., возникающие в
системах, обладающих нелинейностью,
при наличии в них источника энергии
(автоколебания). Свободными наз. К.,
происходящие в системе после вывода
её из состояния равновесия и предо-
предоставления самой себе. Любые свобод-
свободные К. можно представить в виде
суперпозиции гармонич. собственных
К. системы (нормальных колебаний),
частоты к-рых образуют дискретную
последовательность. В колебательных
системах с конечным числом степеней
свободы число различных возможных
нормальных К. равно числу степеней
КОЛЕБАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ
163
свободы; в непрерывных колебатель-
колебательных системах нормальные К. имеют
характер стоячих волн, а их частоты
образуют бесконечную дискретную по-
последовательность. Амплитуды нормаль-
нормальных К. определяются начальными
условиями. Поведение колебательных
систем в любом режиме К. опреде-
определяется в основном характером нор-
нормальных К. этих систем.
При наличии в колебательной сис-
системе потерь энергии нормальные К.
происходят с затуханием, т. е. их
амплитуда экспоненциально умень-
уменьшается с течением времени. Затуха-
Затухание характеризуют коэфф. затухания
или добротностью.
Вынужденными наз. К., совершае-
совершаемые системой при воздействии на неё
внешней переменной силы. При гар-
монич. воздействии возникающие К.
также гармонические и их частота
равна частоте силы, независимо от
собственных частот системы. Ампли-
Амплитуда вынужденных К. пропорциональ-
пропорциональна действующей силе и зависит от её
частоты, обнаруживая характерные
максимумы при совпадении частоты
действующей силы с к.-л. из собствен-
собственных частот системы (резонанс); вели-
величина резонансного максимума обрат-
обратно пропорциональна коэфф. затуха-
затухания, а ширина резонансной кривой
прямо пропорциональна этому коэф-
коэффициенту.
Примерами автоколебаний могут
служить К. воздуха в свистках, скрип
тормозов, гудение телеграфных про-
проводов при ветре, «пение» водопровод-
водопроводных труб и т. п. Механизм возбуж-
возбуждения автоколебаний заключается в
основном в том, что колебания системы
управляют поступлением в неё энер-
энергии от имеющегося источника (обрат-
(обратная связь). При автоколебаниях ампли-
амплитуда не зависит от начальных условий,
а периоды близки к периодам собст-
собственных колебаний системы в отсутст-
отсутствии источника энергии.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959; Мандель-
Мандельштам Л. И., Полн. собр. трудов, т. 4,
ч. 1—2, М., 1955; СтреттДж. В. (Рэ-
лей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд.,
М., 1955, т. 1, гл. 4 — 7, 10.
М, А. Исакович.
КОЛЕБАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕ-
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ — тепловые коле-
колебания атомов любого кристаллич. те-
тела, находящегося при темп-ре, отлич-
отличной от абсолютного нуля. Эти колеба-
колебания атомы совершают относительно
своих положений равновесия, к-рые
совпадают с узлами кристаллич. ре-
решётки. Тепловые движения атомов
твёрдого тела можно рассматривать
как совокупность малых нормальных
колебаний кристаллич. решётки. Каж-
Каждое нормальное колебание (стоячую
волну) можно представить в виде двух
распространяющихся в противополож-
противоположных направлениях бегущих волн,
которые являются гиперзвуком тепло-
теплового происхождения. Т. о., тепловые
К. к. р. можно представить в виде
совокупности продольных и попереч-
поперечных упругих волн, распространяю-
распространяющихся по всем направлениям с лю-
любыми частотами и случайными фаза-
фазами (т. н. дебаевские волны, или теп-
тепловые фононы).
Кристаллич. решётка является про-
странственно-периодич. структурой, в
узлах к-рой находятся атомы. Решётку
обычно разбивают на геометрически
тождественные совокупности атомов,
наз. элементарными ячейками, из
к-рых кристаллич. решётка получает-
получается путём трансляций. Основные осо-
особенности К. к. р. можно рассмотреть
на простейшей модели — бесконеч-
бесконечной одномерной линейной цепочке,
состоящей из одинаковых атомов с
массой т, расположенных на одина-
одинаковом расстоянии друг от друга, рав-
равном а (постоянная решётки) (рис. 1).
п-1 п n+f
6 ° -J ? i ? I?
"л-l "л "л+|
Рис. 1. Схематическое изображение ли-
линейной решётки, состоящей из одинако-
одинаковых атомов: а — состояние равновесия;
б — положения смещённых атомов.
В этом случае элементарная ячейка
состоит из одного атома. Если по це-
цепочке распространяется продольная
волна, то смещение ип re-го атома из
его положения равновесия равно:
ип=Ае><»'-кп°>, A)
где А — некоторая постоянная ам-
амплитуда, со — круговая частота,
к = 2л/Х — волновое число, X — дли-
длина волны. При смещении атома со
стороны соседних атомов на него
действует упругая сила Fn, стре-
164
КОЛЕБАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ
мящаяся вернуть его в положение
равновесия; она пропорциональна рас-
расстоянию до ближайших соседей и
для гс-го атома равна:
^п = Р («п+1 - «п) - Р («n - «n-i). B)
где р — силовая постоянная, зави-
зависящая от типа атомов, составляющих
решётку. Ур-ние движения для п-го
атома под действием силы Fn имеет
вид:
т -jjT = Р (ип+1 + "n-i — 2ип). C)
При решении ур-ния C) для волны
A) получается зависимость со от к:
(о = у —— sm -д- , D)
т. е. имеет место закон дисперсии
(рис. 2). При относительно ма-
малых частотах, когда X = 2л/к > а,
вместо D) имеет место соотношение
© = сок, E)
где с0 = of|/p/m — скорость звука.
Условие X > а и линейное соотноше-
соотношение E) обычно выполняются для сплош-
сплошных сред и частот упругих волн зву-
звукового, УЗ-вого
и большей части
г и п е р з вукового
диапазонов.
При очень вы-
высоких частотах
Рис. 2. Зависимость
частоты ю от волно-
волнового числа k для
линейной решётки,
состоящей из оди-
одинаковых атомов.
из D) следует, что имеет место диспер-
дисперсия скорости звука и что по такой це-
цепочке не могут распространяться вол-
волны с частотой, превышающей некото-
некоторую граничную (предельную) частоту
ыт — у4$/т, соответствующую дли-
длине волны %т = 2а; в случае со = сот
решение A) описывает стоячую волну.
Эти особенности являются следствием
дискретной структуры цепочки ато-
атомов. Кроме продольных колебаний,
в цепочке атомов возможны также по-
поперечные колебания, при к-рых атомы
смещаются в направлении, перпенди-
перпендикулярном направлению распростра-
распространения волны. Такие колебания ана-
аналогичны сдвиговым упругим волнам
в твёрдом теле, и для них справедли-
справедливы все рассуждения, приведённые
выше.
Реальный кристалл представляет
собой трёхмерную периодич. решёт-
решётку, в к-рой по каждому направлению
может распространяться одна продоль-
продольная L и две поперечные Sx и 52 волны
и соответственно имеются три диспер-
дисперсионные кривые (рис. 3). В реальных
Рис. 3. Зависимость
частоты со от волно-
волнового числа h для
трёхмерной решётки.
Сплошные кривые —
акустические ветви
колебаний решётки
(L — для продольной
волны, Si и S2 для
двух типов попереч-
поперечных волн), пунктир-
пунктирная кривая — опти-
оптическая ветвь колеба-
колебаний решётки.
кристаллах определение частоты сот
представляет сложную задачу. Оцен-
Оценка порядка величины сот даёт для
кристалла с постоянной решётки
а — 5-10"8 см значение сот —
—2-1018с. Эта величина правиль-
правильно характеризует порядок предель-
предельной частоты сот, хотя для разных
кристаллов эта величина различна.
Рассмотренные выше К. к. р. наз.
акустической ветвью (акус-
тич. фононы). Если элементарная
ячейка кристалла состоит из двух
или более различных атомов (напр.,
NaCl, SiO2, A12O3, BaTiO3), то,
кроме рассмотренных выше акустич.
колебаний, могут быть ещё колебания
друг относительно друга различных
атомов, находящихся в одной ячейке
(рис. 4). Такие колебания, несмотря
на их механич. природу, наз. опти-
оптическими (оптич. фононы), т. к.
частоты колебаний атомов внутри
одной ячейки того же порядка, что и
частоты электромагнитных волн инфра-
инфракрасного диапазона. Возбуждение
этих колебаний приводит к поглоще-
поглощению света в ряде кристаллов. Диспер-
Дисперсионная кривая оптич. ветви показа-
показана пунктиром на рис. 3.
В общем случае если элементарная
ячейка кристалла состоит из N ато-
атомов, то имеется 3N ветвей К. к. р.
(по числу степеней свободы этих ато-
атомов), из к-рых 3 ветви акустические
(одна продольная и две поперечные)
и 3(N — 1) оптических. Иными слова-
словами, полный набор К. к. р. можно рас-
КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ЧАСТИЦ
165
сматривать как набор 3N упругих
волн, характеризуемых соответствую-
соответствующими дисперсионными законами.
При низких темп-pax и высоких
частотах К. к. р. становится сущест-
существенной дискретная атомная структура
твёрдого тела и проявляются кван-
квантовые свойства К. к. р. Это имеет
место при условии: ha>^ квТ, Т —
абсолютная температура (в кельви-
нах), къ — Больцмана постоянная,
% = /г/2л, h — Планка постоянная;
поэтому квантовые свойства К. к. р.
проявляются при комнатной темп-ре
(Т = 300 К) для частот ш ~ З-Ю^с,
а при темп-ре жидкого гелия (Т = 4 К)
для со — 5-1011 с ~х.
К. к. р. определяют многие важ-
важные свойства твёрдых тел, такие, как
теплоёмкость, теплопроводность, по-
поглощение УЗ, темп-ру Дебая и др.
Так, напр., дебаевская теория тепло-
теплоёмкости твёрдого тела основана на
учёте вклада в теплоёмкость тепловых
колебаний решётки, а дебаевская
темп-pa определяется соотношением
Гд ~Л(йт1къ, где сот — предельная
О
О
Рис. 4. Схематическое изображение линей-
линейной решётки с элементарной ячейкой,
состоящей из двух различных атомов: а —
положение равновесия; б — акустические
колебания; в — оптические колебания.
частота акустич. колебаний решёт-
решётки. Поскольку величина сот связана
с упругими свойствами твёрдого тела,
дебаевскую темп-ру можно опреде-
определять по результатам измерений ско-
скорости звука. Взаимодействие звуко-
звуковой волны с К. к. р. вследствие ангар-
ангармоничности при нек-рых условиях
оказывается основным процессом, оп-
определяющим поглощение звука вы-
высокой частоты.
Лит.: КиттельЧ., Введение в физи-
физику твёрдого тела, пер. с англ., М., 1962,
гл. 5; ЗайманДж., Электроны и фоно-
ны, пер. с англ., М., 1962, гл. 1; Б о р н М.,
Хуан Кунь, Динамическая теория
кристаллических решёток, пер. с англ., М.,
1958, гл. 2; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 3, ч. Б, М., 1968,
гл. 1 и 5. А. Л. Полякова.
• о
• о
• о
• о
• о
• о
• о
• о
•о
• о | •
• о [•
• о j*
КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ
ЧАСТИЦ — скорость, с к-рой дви-
движутся частицы среды, колеблющиеся
при прохождении звуковой волны око-
около положения равновесия, по отноше-
отношению к среде в целом. К. с. ч. v следует
отличать как от скорости движения
самой среды, так и от скорости рас-
распространения звуковой волны, или
скорости звука с. Единицей измере-
измерения К. с. ч. в системе СИ является
м/с, в системе СГС — см/с. Тер-
Термины «мгновенная» К. с. ч., «эффек-
«эффективная» К. с. ч., «амплитуда» К. с. ч.
имеют тот же смысл, что и соответст-
соответствующие термины для звукового дав-
давления.
В плоской бегущей звуковой волне
v — pipe, где р — звуковое давление,
р — плотность среды. Величина v
всегда много меньше с. Напр.,
вблизи мотора реактивного самолёта
v ^ 250 см/с, тогда как в воздухе
с = 342 м/с, т. е. даже для таких
сильных звуков vie <[ 0,01. В зависи-
зависимости от вида волны направление v
может совпадать с направлением с,
как, напр., для продольной волны,
или не совпадать, как для поперечной,
когда эти направления перпендику-
перпендикулярны.
Если гармоническая волна имеет ча-
частоту /, то амплитуда К. с."ч. v0 опре-
определяется ф-лой у„ = 2я/Е0, где ?0 —
амплитуда колебательного смещения
частиц. При расчётах акустич. си-
систем вводят объёмную К. с. ч.
V = vS, где S — площадь, нормаль
к к-рой совпадает с положительным
направлением v. Величина V пред-
представляет собой поток К. с. ч. через по-
поверхность S. Поток К. с. ч. через из-
излучающую поверхность есть объёмная
скорость излучателя.
Пределы изменения К. с. ч. широки:
в воздухе на пороге слышимости при
р = 2-10Па v х 5-10"8м/с, при
р = 104Па v =& 25 м/с; в воде же при
р = 105 Па v ~ 7 • 10~2 м/с, а при р =
= 10 Па уяь7-10 м/с; в твёрдых
телах из-за больших значений рс
К. с. ч. ещё меньше, чем в воде: в
продольной волне в стали при ам-
амплитуде механического напряжения
0=0,1 кгс/см2 v =« 3-10~4 м/с, а при
0=100 кгс/см2 v « 0,3 м/с.
Методы определения К. с. ч. в боль-
большинстве случаев основаны на исполь-
использовании данных по измерению коле-
колебательного смещения частиц и звуко-
166
КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ СМЕЩЕНИЕ ЧАСТИЦ
вого давления. К прямым методам из-
измерения относится метод Рэлея диска,
В. А. Красилъников.
КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ СМЕЩЕНИЕ
ЧАСТИЦ — смещение частиц среды
по отношению к среде в целом, обус-
обусловленное прохождением звуковой
волны. К. с. ч.— одна из основных
величин, характеризующих звуковую
волну. Единицей измерения К. с. ч.
в системе СИ является м, в системе
СГС — см. В гармонич. волне вида
Р = Ро(г)е~ш К. с. ч.
? = Д- v = —. grad р0 (г) е'""\
в плоской бегущей гармонич. волне
• р. Здесь v — колебатель-
1
* — icopc
пая скорость частиц, со = 2я/, / —
частота звука, р — звуковое давле-
давление, р — плотность среды, с — ско-
скорость звука, г — пространственная
координата. К. с. ч. может совпадать
или не совпадать с направлением
распространения волны в зависимости
от типа волны (см. Упругие волны).
При всех достижимых интенсивностях
звука | <С Я,, где % — длина волны
звука (УЗ). Термины «мгновенное»
К. с. ч., «эффективное» К. с. ч., «амп-
«амплитуда» К. с. ч. имеют тот же смысл,
что и соответствующие термины для
звукового давления.
Пределы изменения амплитуды
К. с. ч. в акустике весьма широки.
Так, в воздухе при звуковом давлении
2-Ю Па на частоте 1000 Гц (по-
(порог слышимости человеческого уха)
l0 v 10-им, при р0 = 300 Па (порог
болевого ощущения) §„ яа 10~4 м. При
УЗ-вой механической обработке твёр-
твёрдых и упругих материалов амплитуда
смещения инструмента составляет 20^-
50 мкм на частоте 20—25 кГц.
Методы определения К. с. ч. в газах
и жидкостях обычно основываются на
измерении звукового давления. К. с. ч.
твёрдых поверхностей измеряются
с помощью различных виброметров
(см. Приёмники и индикаторы звука).
Для бесконтактного измерения К. с. ч.
твёрдых тел применяется прямой оп-
тич. метод: с помощью микроскопа
определяется размытие освещенных
точек на поверхности колеблющегося
тела, при этом размеры размытой по-
полосы равны удвоенной амплитуде. Ис-
Используется также ёмкостный или ин-
индуктивный метод, когда колеблющаяся
поверхность служит одной из обкла-
обкладок конденсатора, включённого в ко-
колебательный контур радиогенерато-
радиогенератора, или входит в цепь магнитопровода
катушки индуктивности контура; ве-
величина К. с. ч. вычисляется в этом
случае по амплитуде модуляции ча-
частоты или напряжения этого генера-
генератора. Наиболее точно К. с. ч. твёр-
твёрдой поверхности измеряется оптиче-
оптическими интерференционными метода-
методами с применением оптич. квантовых
генераторов, а также ёмкостным ме-
методом, в. А. Красилъников.
КОНВОЛЬВЕР — то же, что кон-
волютор. См. Акустоэлектроника.
КОНВОЛЮТОР (к о н в о л ь-
в е р) — акустоэлектронное устройст-
устройство, к-рое служит для получения функ-
функций свёртки двух акустич. сигналов.
См. Акустоэлектроника.
КОНТРОЛЬНО - ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА.
УЗ-вые методы широко применяют-
применяются для изучения свойств, состава и
строения веществ при научных иссле-
исследованиях и в промышленном произ-
производстве, для измерений и контроля
изделий, для исследований и контроля
различных физич. и химич. техноло-
гич. процессов, для измерения скоро-
скоростей потоков жидкостей и газов, для
исследований органов и функций че-
человеческого организма и т. п. Эти при-
применения основываются на зависимости
скорости и затухания УЗ-вых волн
в веществе от его состава и структуры,
на использовании отражения и рас-
рассеяния УЗ на границе между средами
с различными волновыми сопротив-
сопротивлениями и на изменении параметров
резонансных колебаний твёрдых тел
в зависимости от свойств окружающей
среды.
Измерение скорости звука в т в ё р-
дых телах позволяет определять
упругие и прочностные характеристи-
характеристики конструкционных материалов.
Напр., измерение скорости продоль-
продольных и поперечных УЗ-вых волн в по-
ликристаллич. материалах даёт воз-
возможность получить численные значе-
значения модулей упругости, а в монокри-
монокристаллических — ещё и констант упру-
упругой анизотропии. Такие измерения,
проведённые в условиях одноосного и
всестороннего сжатия, позволяют оп-
определять модули упругости 2-го и 3-го
порядков. Частотные зависимости ско-
скорости звука используют для изучения
различных физич. явлений и взаимо-
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
167
действий в твёрдом теле (см. Спектро-
Спектроскопия). Для этих целей применяют
УЗ-вые колебания в диапазоне частот
до 10е Гц. Исследование свойств поли-
кристаллич. материалов проводится,
как правило, на более низких часто-
частотах, граничащих со звуковым диапазо-
диапазоном. Свойства монокристаллич. мате-
материалов изучаются на частотах 10"—
10е Гц. Точность определения моду-
модулей упругости 1-го порядка зависит
от точности измерения плотности ве-
вещества и абсолютного значения скоро-
скорости звука, к-рая может быть определе-
определена с относительной погрешностью
10~4—10". Для определения модулей
упругости высших порядков необхо-
необходимо знать приращение скорости звука
при различных статич. механич. на-
напряжениях, к-рое может быть изме-
измерено с существенно меньшей погреш-
погрешностью, достигающей 10"" —10. На
основании эмпирич. зависимостей
прочностных характеристик материа-
материалов от скорости звука в них опреде-
определяют прочность металлов и различных
сплавов, керамики, бетона и т. п. Та-
Такой косвенный неразрушающий метод
определения прочности по скорости
звука удобен ввиду простоты, быстро-
быстроты и возможности использования не-
непосредственно в реальных условиях,
без взятия специальных проб, напр,
при определении прочности и степени
затвердевания бетона в теле плотины.
Численное значение коэфф. затухания
звука в твёрдых телах (или его изме-
изменения при изменении внешних усло-
условий) несёт информацию о внутренней
структуре вещества, напр, о размере
кристаллич. зерна, характере и вели-
величине неоднородностей, чистоте иссле-
исследуемых материалов, концентрации
примесей. При исследованиях свойств
твёрдых веществ по затуханию УЗ
используются частоты, определяемые
соотношением длины волны УЗ и раз-
размеров неоднородностей. Напр., при
исследовании прочностных характе-
характеристик бетона применяют частоты от
десятков до сотен кГц, керамики —
от сотен кГц до нескольких МГц,
металлов и сплавов — от сотен кГц
до сотен МГц.
Измерение скорости и коэфф. по-
поглощения звука в жидкости даёт
информацию о её молекулярной струк-
структуре (см. Молекулярная акустика),
концентрации растворов и взвесей
(рис. 1 и 2), о ходе процессов полиме-
полимеризации (рис. 3), экстрагирования,
старения, о кинетике протекания хи-
мич. реакций. Контрольно-измери-
Контрольно-измерительная аппаратура, в основе к-рой
лежат различные
методы измерения с, м/с
скорости УЗ, ши- "~
роко применяется 1700
Рис. 1. Зависимость
скорости УЗ с в вод-
водном растворе аммиа-
аммиака от его концентра-
концентрации К.
1650
1600
У
/
20 К, X
при автоматизации технологич. про-
процессов в производстве различных по-
полимеров, в т. ч. синтетич. каучука,
в пищевой промышленности, в произ-
производстве минеральных удобрений и т. п.
Затухание УЗ весьма чувствительно
к изменению концентрации взвесей
Рис. 2. Зависи- а/г
МОСТЬ КОЭффИЦИ- XJ/)I7
ента поглощения
УЗ а, отнесённо- 2000
го к квадрату ча-
частоты, от концен-
концентрации К поливи-
поливинилового спирта
в воде.
1500
1000
7
г
8 К.%
в пульпах. Аппаратура, основанная на
измерении затухания УЗ, использу-
используется в производстве полимеров, в цвет-
цветной металлургии, нефтеперерабаты-
нефтеперерабатывающей промышленности и т. п. В та-
такой аппаратуре применяются УЗ-вые
колебания с частотой от десятых долей
до десятков МГц. Точность определе-
Рис. 3. Зависимости
скорости УЗ с от сте-
степени полимеризации
Г| дивинилстирольно-
го каучука СКС-30.
с, м/с
1400 "
1300
1200^
0
/
/
20 40
ния контролируемого параметра зави-
зависит от погрешности намерения харак-
характеристик распространения УЗ. При
измерении скорости УЗ в жидкостях
в промышленных условиях относитель-
относительная погрешность измерения составляет
примерно 10~3. При этом, напр.,
концентрация аммиака может быть
определена с точностью до 0,2%.
Для получения информации о весьма
тонких механизмах молекулярного
взаимодействия, напр, в исследова-
168
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
ниях биополимеров, необходимо изме-
измерять абсолютное значение скорости УЗ
с погрешностью 10, а её прираще-
приращения — с погрешностью 10~в. Такие
измерения могут быть осуществлены
только в слабопоглощающих жид-
жидкостях, напр, в водных растворах
малых концентраций исследуемых ве-
веществ на частотах 5 —10 МГц.
Точность измерения коэфф. погло-
поглощения УЗ в жидкостях в лучшем слу-
случае может достигать 10~2. Но в ряде
практически важных случаев коэфф.
поглощения сильно зависит от вели-
величины контролируемого параметра, и
тогда последний может быть определён
с высокой точностью. Напр., погреш-
погрешность измерения концентрации поли-
поливинилового спирта составляет 0,2—
0,3%.
УЗ-вые измерения в г а в а х позво-
позволяют получать информацию о составе
и свойствах чистых газов и газовых
смесей. Напр., УЗ-вые газоанализато-
газоанализаторы осуществляют слежение за процес-
процессами накопления опасных примесей
в химич. и горнорудной промышлен-
промышленности. Точность определения концент-
концентрации газов в бинарных смесях опре-
определяется крутизной зависимости ско-
скорости УЗ от концентрации. Так, напр.,
количество метана в воздухе может
быть определено с погрешностью, не
превышающей 0,2%. Зависимость ско-
скорости УЗ в газах от темп-ры исполь-
используется для бесконтактной термомет-
термометрии газов и плазмы. Такие измере-
измерения обычно проводятся на частотах
от десятков до сотен кГц.
На измерениях скорости УЗ в дви-
движущихся жидкостях и газах основаны
УЗ-вые расходомеры, применяемые для
определения скорости движения этих
сред в различных трубопроводах и ка-
каналах. При измерениях расхода и
скорости потоков жидкостей с неодно-
родностями (пульпы, эмульсии, сус-
суспензии) широко используется аппара-
аппаратура, основанная на Доплера эффекте.
Подобная аппаратура используется
и для определения скорости кровото-
кровотока и расхода крови при клинич. иссле-
исследованиях.
Относительно малая длина УЗ-вых
волн позволяет рассматривать их рас-
распространение в однородных средах
лучевыми методами геометрической
акустики. Отражение звука, прелом-
преломление звука и возможность фокусиров-
фокусировки УЗ-вых лучей используются в
УЗ-вой дефектоскопии, в УЗ-вых мик-
микроскопах акустических, в медицинской
УЗ-вой диагностике, для визуализа-
визуализации внутренних структур, для изуче-
изучения макронеоднородностей вещества
и т. п. Наличие неоднородностей и их
координаты определяются по времен-
временным соотношениям в отражённых сиг-
сигналах или по структуре тени при про-
звучивании контролируемого объекта.
В УЗ-вой дефектоскопии используется
частотный диапазон 0,5—25 МГц,
в медицинской диагностике — от 0,5
до 20 МГц при интенсивности УЗ, не
превышающей 50 мВт/см2.
Измерение временных интервалов
при отражении УЗ-вых импульсов от
границ раздела жидкость — газ позво-
позволяет определить положение уровня
жидкости в закрытых ёмкостях. Для
получения информации о наличии
жидкости на заданном фиксированном
уровне используется разница в импе-
дансах акустических преобразовате-
преобразователей, обусловленная разницей волновых
сопротивлений газа и жидкости. Импе-
дансные методы УЗ-вого контроля,
основанные на зависимости парамет-
параметров резонансной колебательной си-
системы от свойств нагружающей её
среды, применяются для автоматиче-
автоматического и непрерывного измерения вяз-
вязкости и плотности жидкостей; этот же
принцип лежит в основе УЗ-вых
твердомеров. УЗ-вые уровнемеры и сиг-
сигнализаторы уровня применяются в хи-
химия., нефтеперерабатывающей и пище-
пищевой промышленности при производст-
производстве, хранении и транспортировке раз-
различных жидкостей, в т. ч. токсичных,
агрессивных, взрывоопасных и крио-
криогенных, а также сыпучих материалов.
УЗ-вые вискозиметры успешно при-
применяются в лакокрасочной промыш-
промышленности, в производстве синтетич.
каучуков, в пищевой промышлен-
промышленности и т. п.
Для измерения толщины листовых
материалов в различных конструк-
конструкциях и изделиях, имеющих достуя
с одной стороны (напр., в судострое-
судостроении), широко применяют УЗ-вые тол-
толщиномеры, принцип действия к-рых
основан либо на определении резонанс-
резонансных частот контролируемого участка
листа, либо на измерении времени
прохождения короткого УЗ-вого им-
импульса до противоположной стороны
листа и обратно. Точность этих изме-
измерений зависит от достоверности сведе-
КОНЦЕНТРАТОР
169
ний о скорости распространения УЗ
в контролируемом материале и может
достигать 0,2—0,3%. Диапазон ча-
частот УЗ-вых колебаний, применяемых
при измерении толщины, зависит от
выбранного метода и свойств контро-
контролируемого материала.
Основные преимущества УЗ-вых ме-
методов контроля — весьма малое вре-
время измерений, простота обеспечения
условий взрывобезопасности, возмож-
возможность контроля токсичных и агрессив-
агрессивных сред, чрезвычайно низкие значе-
значения интенсивности УЗ и как следствие
этого — безопасность исследований и
отсутствие воздействия измеритель-
измерительного инструмента на свойства контро-
контролируемой среды или на исследуемые
процессы.
Лит.: Колесников А. Е., Ульт-
Ультразвуковые измерения, М., 1970; Браж-
Бражников II. И., Ультразвуковые методы,
М.—Л., 1965. Б. Е. Михалёв, А. С. Химунин.
КОНЦЕНТРАТОР ультразву-
ультразвука — устройство для увеличения ин-
интенсивности УЗ (амплитуды колеба-
колебательного смещения частиц). Сущест-
Существуют два типа К., принцип действия
к-рых различен: фокусирующие, или
высокочастотные, К. и стержневые,
или низкочастотные.
Концентратор фокусирующий
(К. ф.) — устройство для увеличения
интенсивности звука в нек-рой части
пространства по сравнению с интен-
интенсивностью у поверхности УЗ-вого
излучателя. Действие К. ф. основано
на фокусировке звука, поэтому в них
могут быть использованы любые фо-
фокусирующие устройства — акустич.
линзы, рефлекторы и др. На частотах
свыше 5 МГц широко применяются
рефлекторы, поскольку отсутствие по-
поглощения УЗ-вых волн в материале
рефлектора и практически полное их
отражение позволяет почти всю энер-
энергию УЗ-вого излучателя сконцентри-
сконцентрировать в фокальной области.
Наибольшее распространение полу-
получили К. ф., основанные на использо-
использовании фокусирующих электроакустич.
преобразователей, воле излучения
к-рых характеризуется сферич. или
цилиндрич. сходящимся волновым
фронтом. По форме такие преобразо-
преобразователи из электромеханически актив-
активных материалов представляют собой
часть сферич. или цилиндрич. оболоч-
оболочки, иногда — полый цилиндр. Они
работают на резонансной частоте коле-
колебаний по толщине, составляющей от
нескольких сотен кГц до нескольких
МГц. Применяются также цилинд-
цилиндрич. К. ф., работающие в диапазоне
частот от единиц до десятков кГц на
резонансной частоте
радиальных колеба-
колебаний. Для К. ф. пре-
преобразователи изго-
изготавливаются в виде
цельных сферич. и
цилиндрич. элемен-
элементов из пьезокерами-
ки или в виде мо-
мозаики из пластин
пьезокерамики или
пьезокварца. Ци-
Рис. 1. Сферический
фокусирующий концен-
концентратор для распыле-
распыления жидкостей: 1 —
пьезокерамический фо-
фокусирующий излуча-
излучатель; 2 — контактная
среда (вода); 3 — распыляемая жидкость;
4 — подача распыляемой жидкости; S —
подача воздуха; 6 — выход тумана.
линдрич. преобразователи для К. ф.
низкочастотного диапазона изготав-
изготавливаются также из магнитострикци-
онных материалов. Интенсивность
звука в фокальной области фокусирую-
фокусирующих преобразователей сферич. формы
достигает нескольких кВт/см2. При-
Применяются они в тех случаях, когда
при высокой интенсивности необхо-
J
Рис. 2. Сферический концентратор для
оперативного лечения болезни Меньера:
1 — корпус; г — пьезокерамический фо-
фокусирующий излучатель; a — пластмас-
пластмассовая втулка; 4 — пружинный контакт;
5 — коаксиальный кабель; 6 — насадка,
образующая камеру с контактной жид-
жидкостью.
димо воздействие УЗ на малую об-
область пространства, напр, при УЗ-вом
распылении жидкостей (рис. 1) или
нейрохирургич. операциях (рис. 2).
Излучатели, имеющие цилиндрич. фор-
форму, создают в фокальной области мень-
меньшую концентрацию энергии, однако
имеют большую фокальную область,
170
КОНЦЕНТРАТОР
вытянутую вдоль оси; они удобны,
напр., при непрерывной конвейерной
УЗ-вой очистке деталей, при поточной
обработке жидкостей. К. ф. применя-
применяются гл. обр. для создания УЗ-вых
колебаний высокой интенсивности
с целью активного воздействия ими на
различные вещества и объекты: в
УЗ-вой технологии — для эмульгирова-
эмульгирования, диспергирования, гомогенизации,
распыления, очистки, сушки и др. про-
процессов; в физике — для исследования
воздействия мощного УЗ на вещество,
в частности в УЗ-вой кавитации;
в биологии — для уничтожения мик-
микроорганизмов, исследования влияния
УЗ на клетки и ткани организма (см.
Действие ультразвука на биологиче-
биологические объекты), синтеза органич. сое-
соединений и т. п.; в медицине — преиму-
преимущественно в УЗ-вой хирургии.
_ Для получения особенно высоких
интенсивностей при исследовании воз-
воздействия мощного УЗ на вещество
применяют специальные конструкции
К. ф. (рис. 3). Излучающим элемен-
элементом в такой конструкции служит сфе-
рич. оболочка из материала с малым
затуханием УЗ, напр, алюминиевого
сплава, колеблющаяся на частоте ре-
резонанса по толщине. Она возбуждает-
возбуждается пьезоэлектрич. пластинами, обла-
обладающими той же резонансной часто-
частотой и покрывающими её сплошь в виде
Рис. 3. Сверх-
Сверхмощный высо-
высокочастотный
концентратор
с фокусирова-
фокусированием в жид-
жидкости: 1 —
алюминиевая
оболочка по-
полуволновой
толщины; 2 —
пьезокварце-
вые пластины (показана одна); з ~ кон-
контактная жидкость; 4 — стакан; S — звуко-
звукопроницаемая плёнка; 6 — изолирующая
жидкость; 7 — охлаждающая жидкость;
8 — электрический контакт.
мозаики. Излучение происходит в по-
полость, заполненную дегазированной
водой (контактная среда). Сходящаяся
сферич. волна фокусируется у основа-
основания стакана, в к-рый помещается ис-
исследуемый объект. Полость стакана
отделяется от контактной среды зву-
копрозрачной плёнкой. В качестве
контактной среды применяется также
твёрдое вещество с малым поглоще-
поглощением звука (рис. 4), преимущество
к-рого перед жидкостью состоит в воз-
возможности подведения к фокальной
области волн более высокой интенсив-
интенсивности, т. к. в твёрдой контактной сре-
среде не возникает кавитации. Недоста-
Недостаток таких К. ф.— возникновение
в твёрдом теле, помимо полезных ра-
радиальных колебаний, также пара-
паразитных колебаний разного типа (напр.,
сдвиговых), что
снижает кпд. Та- '
кие специальные
конструкции К. ф.,
Рис. 4. Сверхмощный
концентратор с фо-
фокусированием в твёр-
твёрдом теле: 1 — алю-
алюминиевая сфера; 2 —
конические полости;
S — пьезокерамические пластины; 4 — сфе-
сферическая полость с фокальной областью.
наз. иногда «сверхмощными», позво-
позволяют достигнуть интенсивности в не-
несколько МВт/см2 на частотах 1—2 МГц.
Концентратор стержневой (К. с.) —
устройство для увеличения амплиту-
амплитуды колебательного смещения частиц
(колебательной скорости частиц) в
низкочастотном УЗ-вом диапазоне;
представляет собой твёрдый стержень
переменного сечения или переменной
плотности, присоединяемый к излуча-
излучателю более широким концом или ча-
частью с большей плотностью материала.
Принцип действия К. с. основан на
увеличении амплитуды колебательного
смещения частиц стержня вследствие
уменьшения его поперечного сечения
или плотности в соответствии с зако-
законом сохранения количества движения.
При этом увеличение амплитуды сме-
смещения будет тем больше, чем больше
различие диаметров или плотностей
противоположных торцов стержня.
К. с. применяются в УЗ-вой техноло-
технологии. Они являются составной частью
УЗ-вых колебательных систем, рабо-
работающих в диапазоне частот от 18 до
100 кГц.
К. с. можно рассматривать как аку-
стич. волновод, в к-ром распространя-
распространяется одна нулевая мода колебаний,
характеризуемая постоянной амплиту-
амплитудой по сечению. Максимальный ли-
линейный размер широкого конца кон-
концентратора D должен быть меньше
Х/2 (где X — длина волны в материале
концентратора). Работают К. с. обыч-
КОНЦЕНТРАТОР
171
но на резонансной частоте, поэтому пу колебаний концентратора (продоль-
длина концентратора / должна быть ные, сдвиговые, крутильные). Измене-
резонансной, т. е. кратна целому числу ние сечения К. с. может происходить
полуволн: / = тй.12, где п = 1, 2, 3,... как вследствие изменения внешнего
При заданной частоте X зависит от профиля стержня (рис. 5), так и внут-
формы К. с. вследствие дисперсии реннего (рис. 8). Круглые К. с. про-
Рис. 5. Сечения круглых
простых одноступенча-
одноступенчатых концентраторов
продольных колебаний:
а — ступенчатый; б —
конический; в — экспо-
экспоненциальный; г — кате-
^нoидaльный; 9 — гаус-
цг сов (ампульный); кривые
показывают распределе-
распределение амплитуды колеба-
колебательной скорости v и
деформации и' по длине
концентратора.
филей, представленных на рис. 5, мо-
могут быть использованы для усиления
как продольных, так и крутильных
колебаний.
Коэфф. усиления К. с. К = ?;/?„,
где |; и |0 — амплитуды смещения
соответственно на его узком и широ-
широком концах. При гармонич. колеба-
колебаниях с круговой частотой со амплиту-
амплитуда колебательной скорости v = co| и,
следовательно, К = vi/v0. Для сту-
ступенчатого К. с. К = N2, где N =
= Ri/Ro, a Ri и Л0 радиусы узкого
(выходного) и широкого (входного)
торцов соответственно. Для экспонен-
экспоненскорости распространения УЗ-вых
волн в волноводах с переменным се-
сечением.
К. с. с переменной плотностью обыч-
обычно изготавливают в виде двух соеди-
Н—I —
—II—I—111-^-
Рис. 6. Составной концентратор: I — ци-
цилиндр большого диаметра; II — отрезок
стержня конической или экспоненциаль-
экспоненциальной формы; III — цилиндр малого диа-
диаметра.
нённых между собой стержней из раз-
разных материалов длиной Х/4 с одинако-
одинаковым поперечным сечением.
К. с. классифицируют по следующим
признакам: по форме продольного
сечения (рис. 5), по форме попереч-
поперечного сечения (круглый, клинообраз-
клинообразный и др.), по количеству элемен-
элементов с различным профилем продоль-
продольного сечения (простой, составной —
рис. 6), по количеству последователь-
Рис. 7. Двухступенчатый концентратор:
I — ступенчатый концентратор; II — ам-
ампульный концентратор.
но соединённых резонансных кон-
концентраторов полуволновой длины
(одно-, двух- и т. д. ступенчатый —
рис. 7), по форме средней линии
(прямолинейный, изогнутый), по ти-
Рис. 8. Концентраторы с переменным
внутренним профилем: а — экспоненци-
экспоненциальный; бив — ступенчатые.
циального К. с. К = N, для катенои-
дального К = N/ |cos -"-|, а для ко-
конического К < N и всегда К < 4,6.
Максимальная амплитуда колеба-
колебательной скорости ит, получаемая на
узком конце К. с., зависит от свойст-
свойства материала концентратора — разру-
разрушающего усталостного напряжения
F — и волнового сопротивления рс
172
КОЭФФИЦИЕНТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
(где р — плотность, с — скорость рас-
распространения волн), а также от без-
безразмерной функции Ф, зависящей
только от формы концентратора:
vm =—Ф. Наилучшие материалы для
рс
К. с. с точки зрения получения макси-
максимальной амплитуды колебательной
скорости ¦— титан и его сплавы (см.
табл.), поскольку при достаточно боль-
большой механич. прочности эти материа-
материалы обладают сравнительно низким
волновым сопротивлением, а также
малым коэфф. поглощения звука. Так,
при помощи К. с, состоящего из сту-
ступенчатой и ампульной частей (рис. 7),
изготовленных из титана, на частоте
20 кГц было получено значение vm~-
— 104 см/с, при этом | «а 1 мм.
Свойства материалов для
стержневых концентраторов
Свойства
Модуль Юнга
Е- Ю-, дин/см2
Модуль сдвига
G-10~12, дин/см2
Плотность р, г/см:
Скорость про-
продольных волн
с,-10~», см/с . .
Скорость сдвиго-
сдвиговых волн
ct-10-', см/с
Разрушающее на-
напряжение
.F10 -», дин/см2
J"/pc- 10~3, см/с
Материалы
1,16
0,36
4,42
4,90
2,83
7,2
3,35
р
В и
2,18
0,85
7,9
5,24
3,28
5,5
1,28
0,99
0,40
8,8
3,36
2,13
3,2
1,08
2,09
0,82
7,85
5,14
3,25
2,2
0,57
0,89
0,33
8,45
3,24
1,97
1,5
0,56
К. с. широко применяются в УЗ-вой
технологии в составе различных
УЗ-вых инструментов, напр, при
УЗ-вой механической обработке, свар-
сварке, пайке, дроблении и диспергирова-
диспергировании материалов, при очистке глубоких
отверстий, при локальном воздействии
на различные процессы. В медицине
они применяются в УЗ-вых хирургич.
инструментах, предназначенных для
разнообразных операций. К. с. ис-
используются также для увеличения
интенсивности звука, напр, при при-
применении ультразвука в металлургии.
Лит.: Источники мощного ультразвука,
М., 1967 (Физика и техника мощного ульт-
ультразвука, кн. 1), с. 149—206, 288—326; Фо-
Фокусирование звуковых и ультразвуковых
волн, М., 1977; Меркулов Л. Г.,
«Акуст. ж.», 1957, т. 3, № 3, с. 230—38;
Меркулов Л. Г., Харитонов
А. В., там же, 1959, т. 5, J\l» 2, с. 183—90;
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона,
пер. с англ., т. 1, ч. Б, М., 1967, гл. 6;
N е р р i r a s E. A., «Acustica», 1963, v. 13,
J* 5, p. 368—70. И. Н. Каневский.
КОЭФФИЦИЕНТ ЭЛЕКТРОМЕ-
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ (К) — основ-
основной параметр, характеризующий эф-
эффективность преобразования электрич.
энергии в упругую и обратно в пьезо-
активных (пьезоэлектрич., магнито-
стрикционных и др.) материалах,
а также в электромеханич. преобразо-
преобразователях различного типа (см. Электро-
Электроакустические преобразователи).
Применительно к магнитострикци-
онным материалам и преобразовате-
преобразователям К. э. с. часто наз. коэфф. магнито-
механич. связи. Квадрат К. э. с. ра-
равен отношению плотности преобразо-
преобразованной (выходной) энергии к плотно-
плотности запасённой (входной) без учёта
диэлектрич., магнитных и механич.
потерь, а также излучения. При этом
для приёмников и излучателей вход-
входная энергия является соответственно
упругой и электрической (магнитной),
а выходная — электрической (маг-
(магнитной) и упругой. Для магнитострик-
ционных и пьезоэлектрических мате-
материалов с помощью ур-ний состояния
(т. н. местных ур-ний) К можно выра-
выразить через пьезоэлектрич. н магнито-
стрикционные коэффициенты, коэфф.
упругой податливости и диэлектрич.
или магнитную проницаемость. Из
определения К следует, что относи-
относительная разность между значениями
диэлектрич. (магнитной) проницае-
проницаемости механически свободного и зажа-
зажатого образцов, а также относитель-
относительная разность между коэфф. упругой
податливости электрически (магнитно)
свободного и зажатого образцов про-
пропорциональны К2 (электрически за-
зажатый образец пьезоэлектрика имеет
разомкнутые, а электрически свобод-
свободный — короткозамкнутые электроды;
магнитно зажатый образец магнито-
стрикционного материала имеет ко-
роткозамкнутую, а магнитно свобод-
свободный — разомкнутую обмотку).
Различным видам колебаний соот-
соответствуют разные К. э. с, причём всё
многообразие возможных К. э. с. пье-
пьезоэлектрич. и магнитострикционных
материалов всегда можно выразить че-
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
173
рез сравнительно небольшое число
(не более трёх) т. н. инвариантных
К. з. с. Реализация тех или иных
К. з. с. зависит от соотношения раз-
размеров колеблющегося тела, от взаим-
взаимной пространственной ориентации век-
векторов постоянной и переменной индук-
индукции (электрической ВоиВ^ или маг-
магнитной Во ий-), а также от группы
симметрии активного материала.
В случае поперечно изотропных пьезо-
злектрич. и магнитострикционных ма-
материалов (поляризованная пьезокера-
мика, поликристаллич. ферромагнит-
ферромагнитные металлы или ферриты), имею-
имеющих симметрию соответственно оо- т
и оо/т в кристаллографич. системе
координат, наиболее важными явля-
являются продольный К. э. с. Кза, попереч-
поперечный К. э. с. Ка1 и сдвиговый К. э. с.
К1Ъ (см. Пьезоэлектричество, Магни-
тострикция). Значения К. э. с. не мо-
могут превышать 1 и для известных пье-
зоэлектрич. и магнитострикционных
материалов лежат в пределах от не-
нескольких сотых (например, кварц)
до 0,8—0,9 (кристаллы сульфоиодида
сурьмы).
Если преобразование энергии проис-
происходит одинаково во всех точках ко-
колеблющегося тела, то низкочастотный,
или квазистатич., К. э. с. преобразо-
преобразователя совпадает с его динамич.
К. э. с, а также с К. э. с. материала.
При возбуждении преобразователя на
к.-л. резонансной моде колебаний
К. э. с, относящийся к этой моде
(наз. часто «эффективный К. э. с.» —
#Эфф), почти всегда меньше соответст-
соответствующего К. э. с. материала (исключе-
(исключение составляют цилиндрич. преобра-
преобразователи, колеблющиеся на радиально
симметричной моде, для к-рых К. э. с.
преобразователя и материала совпа-
совпадают).
К. э. с. широко используется в рас-
расчётах электромеханич. преобразова-
преобразователей; от него непосредственно зави-
зависят такие характеристики, как шири-
ширина полосы, кпд, удельная чувстви-
чувствительность и др.
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер.-с англ., t.Ij-ч. А, М., 1966,
гл. 3; N е р р i о г a s E. A., «Acustica»,
1965, v. 15, JM5 1, р. 58—62. Л. Н. Сыркин.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ультра-
ультразвуковая — процесс кристалли-
кристаллизации под действием УЗ-вых колеба-
колебаний, изменяющих условия зарожде-
зарождения и роста кристаллов и позволяю-
позволяющих получать измельчённую струк-
структуру поликристалла с улучшенными
физико-механич. свойствами. УЗ ока-
оказывает влияние на К. почти всех ве-
веществ, однако наибольшее практи-
практическое применение ультразвуковая К.
получила при производстве слитков и
фасонных отливок из металлов и
сплавов.
Структура затвердевшего металла
определяется гл. обр. тепловыми усло-
условиями К. При затвердевании нек-рого
объёма металла снижение темп-ры
происходит не одновременно в раз-
различных его частях, поэтому К. рас-
распространяется постепенно от охлаж-
охлаждаемой поверхности кристаллизатора
к центру, при этом образуется непре-
непрерывная поверхность раздела между
твёрдой н жидкой фазами — т. н.
фронт кристаллизации.
При К. сплавов между твёрдой и жид-
жидкой фазами образуется объём, где одно-
одновременно присутствуют как кристал-
кристаллы, так и жидкость,— это переходная,
или двухфазная, область. Фронтом
К. в этом случае является граница
между двухфазной областью и жид-
жидкой фазой.
Скорость фазового перехода из жид-
жидкого в твёрдое состояние, или скорость
К., зависит от тепловых условий К.
и определяет внутреннюю структуру
дендритного кристалла — размер се-
сечений ветвей дендрита. Однако при
одной и той же скорости К. размеры
дендритного зерна в целом могут зна-
значительно меняться в зависимости от
количества активных зародышей К.
Известно, что К. металлов и сплавов
протекает преимущественно по гете-
гетерогенной кинетике, т. е. зародыши К.
возникают на подходящих по структу-
структуре и размеру подложках, поэтому
размеры дендритных зёрен в отливках
и слитках зависят от количества
естественных активных и искусствен-
искусственно активируемых твёрдых частиц при-
примесей.
Механизм К. под действием УЗ —
. сложный физико-механич. процесс, за-
зависящий от интенсивности УЗ, усло-
условий его введения в кристаллизующий-
кристаллизующийся расплав, чистоты жидкого металла
по твёрдым примесям и т. д. Механизм
К. связан, в частности, с интенсифи-
интенсификацией тепломассообмена в ультразву-
ультразвуковом поле. При введении УЗ-вых
колебаний высокой интенсивности не-
непосредственно в жидкую часть слит-
слитка (рис. 1, а) возникает возможность
174
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
активного воздействия на расплав
в предкристаллизационный период.
Поглощение акустич. энергии, интен-
интенсивное развитие кавитации и акустич.
потоков (см. А кустические течения)
в расплаве приводят к дополнитель-
дополнительному нагреву жидкой фазы на 10—
15 °С и активации (смачиванию) не-
нерастворимых примесей, в обычных
Рис. 1. Принципиальные схемы введения
ультразвука в расплав: а — при кристал-
кристаллизации слитков лёгких сплавов методом
непрерывного литья; б — при вакуумно-
дуговом переплаве тугоплавких металлов;
в — при фасонном литье в условиях все-
всестороннего давления иг — при зонной
плавке; 1 — источник ультразвука; 2 —
жидкая часть слитка; 3 — слиток (отлив-
(отливка); 4 — кристаллизатор (форма); б —
расходуемый электрод; 6 — нагреватель.
условиях не участвующих в процессе
К. Перегрев расплава устраняет воз-
возможность объёмной К. и переносит
зону зарождения и роста кристал-
кристаллов непосредственно к фронту К.,
где активация примесей создаёт из-
избыток активных центров К. Такое
изменение условий зарождения и роста
кристаллов позволяет при непрерыв-
непрерывном литье лёгких сплавов сформиро-
сформировать сверхтонкую (измельчённую)
структуру — т. н. субдеидритную
(рис. 2). Полученная структура не
имеет дендритного строения, и каж-
каждое её зерно по размеру меньше или
равно дендритной ячейке слитка, от-
отлитого в тех же условиях, но без
применения УЗ. Слитки промышлен-
промышленных сплавов на основе алюминия
с субдендритной структурой отлича-
отличаются тонким строением границ зёрен,
повышенной плотностью, малым со-
содержанием водорода, следствием чего
является высокая технология, плас-
пластичность. Изготовленные из слитков
с субдендритной структурой деформи-
деформированные полуфабрикаты (прутки,
трубы и др.) наследуют измельчённую
структуру и улучшенные физико-меха-
нич. свойства (пластичность, вяз-
вязкость разрушения и т. п.).
Если УЗ высокой интенсивности
вводится в расплав через затвердев-
затвердевшую часть слитка (рис. 1,6) или отлив-
отливки (рис. 1,в), кавитационное воздей-
воздействие на фронт К. вызывает обламы-
обламывание ветвей растущих дендритных
кристаллов и вынос обломков твёрдой
фазы акустич. потоками в объём жид-
жидкой части слитка, увеличивая тем са-
самым число центров К. и вызывая пере-
переохлаждение расплава. Измельчение
структуры литого металла в этом слу-
случае происходит вследствие переох-
переохлаждения расплава и усиления объ-
объёмной К., т. е. зарождения центров К.
в объёме жидкой части слитка и по-
последующего роста кристаллов в усло-
условиях слабого переохлаждения до тех
пор, пока они не достигнут фронта К.
При этом измельчение литого зерна,
как правило, сопровождается укруп-
укрупнением дендритных веточек.
Если через фронт К. передать в
расплав УЗ-вые колебания малой
(докавитационной) интенсивности
(рис. 1,г), как это имеет место, напр.,
при зонной плавке, то в этом случае
механизм К. определяется только ско-
скоростью и конфигурацией возникаю-
возникающих акустич. потоков. Режим УЗ-вого
воздействия на процесс зонной плав-
плавки выбирают таким образом, чтобы
вблизи фронта К. возникали потоки
замкнутого типа со скоростями на
1—2 порядка выше скорости К., на-
направление к-рых проходит вдоль
фронта К., а затем внутрь расплав-
расплавленной зоны. Потоки выравнивают
температурное поле у фронта К.,
сглаживая микрорельеф последнего
и значительно уменьшая диффузион-
диффузионную зону, тем самым они интенсифи-
интенсифицируют процесс зонной очистки от
растворимых примесей и позволяют
повысить глубину очистки. Напр., при
зонной плавке алюминия с примене-
ннем УЗ-вой обработки удаётся улуч-
КЮРИ ТОЧКА
175
шить чистоту металла более чем на
два порядка по сравнению с чисто-
чистотой алюминия, полученного по тра-
традиционной схеме зонной плавки без
УЗ.
При УЗ-вой К. металлов и сплавов
в промышленных условиях в качестве
источника УЗ применяются магнито-
стрикционные преобразователи боль-
большой мощности (от 4 кВт и выше),
работающие на частотах 18—22 кГц
(при дуговом переплаве используются
преобразователи с более низкими ча-
частотами — до 9 кГц). Для контакт-
контактного введения УЗ непосредственно
в расплавленный металл применяют
колебательные системы с концентра-
концентраторами УЗ и волноводами-излучате-
волноводами-излучателями из тугоплавких кавитационно и
химически стойких материалов.
Лит.: Капустин А. П., Влияние
ультразвука на кинетику кристаллизации,
М., 1962; Эскин Г. И., Ультразвуко-
Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия,
М., 1965; Абрамов О. В., Кристалли-
Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле,
М., 1972; Добаткин В. И., Эс-
Эскин Г. И., Боровикова С. И.,
«Физика и химия обработки материалов»,
1973, jVi 6, с. 14—17; Б а л а н д и н Г. Ф.,
Формирование кристаллического строения
отливок, 2 изд., М., 1973; Э с к и н Г. И.,
Ультразвук шагнул в металлургию, М.,
1975. Г. И. Эскин.
КЮРИ ТОЧКА — температура в,
при к-рой система взаимодействую-
взаимодействующих частиц, напр, кристаллич. тело,
теряет устойчивость и переходит без
поглощения или выделения тепла в но-
новое состояние, отличающееся от ис-
исходного симметрией и физич. свойст-
свойствами. Напр., у ферромагнетиков при
понижении темп-ры Т в К. т. (Т = в)
Рис. 2. Слиток из легированного алюминиевого сплава, полученного методом непре-
непрерывного литья: а и в — его макро-(X 1,0) и микроструктура (X 150) при литье
без УЗ-вой обработки (размер дендритного зерна 400—500 мкм, размер ветви дендрита
30—35 мкм); б и г — его макро- и микроструктура при литье с УЗ-вой обработкой
(размер субдендритного зерна 15—25 мкм).
176
ЛИНЗА
имеет место переход из парамагнит-
парамагнитного в ферромагнитное состояние (см.
Ферромагнетизм); у сегнетоэлектри-
ков в К. т. осуществляется переход
из неполярной (параэлектрич.) в по-
полярную (сегнетозлектрич.) фазу (см.
Сегнетоэлектричество). Почти во всех
случаях ниже К. т. имеет место более
низкая симметрия (напр., кристал-
лич. ячейка при Т > в кубическая,
а при Т < в тетрагональная). Пере-
Переход через К. т. сопровождается ря-
рядом аномалий в температурных за-
зависимостях параметров вещества: ди-
электрич. и магнитной проницаемо-
стей, модулей упругости, скорости
звуковых волн, теплоёмкости, коэфф.
теплового расширения и др. Выше
К. т. магнитная и диэлектрическая
проницаемости следуют закону Кю-
Кюри — Вейса: е =& В1(Т — 0), где
В — постоянная Кюри — Вейса, ха-
характерная для данного вещества, Т —
абсолютная темп-ра.
Переход через К. т. является фазо-
фазовым переходом 2-го рода, характери-
характеризующимся плавным спаданием пара-
параметра перехода (например, спонтан-
спонтанной поляризации или намагниченно-
намагниченности) по мере роста температуры Т и
обращением его в нуль при Т = @,
отсутствием поглощения или выделе-
выделения теплоты при переходе и отсутст-
отсутствием эффекта переохлаждения или пе-
перегрева.
При нагревании системы в К. т.
разупорядочивающее действие тепло-
тепловых движений частиц не компенсиру-
компенсируется силами взаимодействия (элек-
трич., магнитными или др.), чем и
обусловлена потеря динамич. устой-
устойчивости системы и переход её в состоя-
состояние, характеризуемое более высокой
симметрией.
Лит.: Ландау Л. Д-, Л и ф ш и ц
Е. М., Статистическая физика, 2 изд.,
М., 1964 (Теоретич. физика, т.5); Вон-
совский С. В., Магнетизм, М., 1971.
Р. Е. Пасынков.
Л
ЛИНЗА акустическая —
устройство, осуществляющее фокуси-
фокусировку звука посредством изменения
длины акустич. пути и преломления
звука на границе раздела между мате-
материалом линзы и окружающей её сре-
средой. Подобно оптич. линзам, акустич.
Л. ограничены двумя рабочими по-
поверхностями и выполняются из мате-
материала, скорость звука в к-ром с2 от-
отлична от скорости звука в окружаю-
окружающей среде а. Акустич. Л. могут быть
изготовлены из твёрдых веществ, жид-
жидкостей или газов. В последних двух
случаях жидкость или газ заключают
в оболочку, к-рая должна быть доста-
достаточно тонкой, чтобы обеспечить мак-
максимальное прохождение энергии и не-
незначительное дополнительное откло-
отклонение лучей при преломлении.
Свойства Л. определяются свойст-
свойствами материала, из к-рого она изготов-
изготовлена, и свойствами окружающей сре-
среды, а также формой преломляющих
поверхностей Л. В зависимости от этой
•формы Л. бывают плоско-выпуклыми,
плоско-вогнутыми, двояковыпуклы-
двояковыпуклыми, двояковогнутыми и выпукло-во-
выпукло-вогнутыми. Л., образующие сходящиеся
волновые фронты, наз. собирающими,
или фокусирующими, а расходящие-
расходящиеся — рассеивающими.
В зависимости от показателя прелом-
преломления для звуковых волн re=ci/c2 Л.
наз. замедляющими при п > 1 и ус-
ускоряющими при п < 1. Если п > 1, то
с2 <С а и собирающая Л. должна
иметь хотя бы одну выпуклую пре-
преломляющую поверхность. Сходящий-
Сходящийся волновой фронт 2 (рис. 1, а)
образуется в этом случае вследствие
замедления распространения волны
в тех частях Л., к-рые лежат ближе
к акустич. оси. При п < 1, т. е. при
с2 > и, собирающая Л. должна иметь
по крайней мере одну вогнутую пре-
преломляющую поверхность. Сходящийся
волновой фронт 2 (рис. 1,6) образу-
образуется в этом случае вследствие ускоре-
ускорения распространения волны в частях
Л., удалённых от акустич. оси. При
выборе материала Л. стремятся к то-
ЛИНЗА
177
му, чтобы его волновое сопротивле-
сопротивление р2с2 минимально отличалось от
волнового сопротивления окружаю-
окружающей среды pjci (p2 и ра— плотности
материала Л. и среды) с целью по-
получения возможно большего коэфф.
Рис. 1. Собираю-
Собирающие акустические
линзы: о — замед-
замедляющая; б — уско-
ряющая; 2 — схо-
сходящийся волновой
фронт; / — фокус-
фокусное расстояние;
(От — угол раскры-
раскрытия фронта; to —
текущий угол;
F — фокус.
прохождения энергии звуковой вол-
волны через граничные поверхности,
а также к тому, чтобы коэфф. погло-
поглощения звука в материале Л. на рабо-
рабочей частоте был мал.
Преломляющие поверхности могут
иметь различную форму: сферическую,
эллипсоидальную, гиперболоидаль-
ную и др. Плоско-эллиптич. (рис. 1,6)
и плоско-гиперболич. (рис. 1,а) Л.
применяются для концентрации энер-
энергии плоской волны, распространяю-
распространяющейся в направлении акустич. оси.
Для лучей, распространяющихся под
углом к акустич. оси, эти Л. дают
значительные аберрации. Поэтому для
получения звуковых изображений,
напр, в системах звуковидения, целе-
целесообразнее применять Л. со сферич.
преломляющей поверхностью. Уско-
Ускоряющие Л. дают меньшие сферич.
аберрации, чем замедляющие, посколь-
поскольку чем меньше и, тем меньше продоль-
продольная лучевая аберрация (см. Фокуси-
Фокусировка звука). Если плоско-гиперболич.
Л. сделать ускоряющей, а плоско-
эллиптич. замедляющей, то эти Л.
из фокусирующих превратятся в рас-
рассеивающие: падающую на них плоскую
волну они будут превращать в рас-
расходящуюся (сферическую или ци-
цилиндрическую). Такие Л. употребля-
употребляются для создания равномерных УЗ-
вых полей в большой части простран-
пространства при использовании излучателей
малых размеров.
Основным параметром Л., характе-
характеризующим особенности её практиче-
практического использования, является фокус-
фокусное расстояние /. В случае примене-
применения Л. в звуковидении звуковое изо-
изображение образуется в плоскости,
проходящей через фокус. При исполь-
использовании Л. в УЗ-вых технологич. уст-
устройствах важно знать фокусное рас-
расстояние, поскольку именно в фокусе
достигается максимальная интенсив-
интенсивность УЗ. Величина / определяется
коэфф. преломления п и геометрич.
параметрами Л. Для плоско-сферич. Л.
= ±
cos
где Лкр — радиус кривизны прелом-
преломляющей поверхности, р" — угол меж-
между Лкр и акустич. осью, когда Лкр
проходит через точку преломляющей
поверхности, из к-рой выходит пре-
преломлённый луч, а = и2/A — и2), знак
+ относится к вогнутой, а знак —
к выпуклой преломляющей поверх-
поверхности. Для параксиальных лучей, т. е.
лучей, идущих вблизи акустич. оси,
Р>0 и фокусное расстояние
Коэфф. усиления и разрешающая
способность фокусирующих систем за-
зависят от максимального угла раскры-
раскрытия волнового фронта ч>т, к-рый для
акустич. Л. ограничен и не может пре-
превосходить предельного значения шп.
Для ускоряющих Л. wn соответствует
направлению падающего луча по ка-
касательной к преломляющей поверх-
поверхности, а для замедляющих Л.— паде-
падению луча под углом полного внутрен-
внутреннего отражения к этой поверхности.
Для ускоряющей Л. с эллипсоидаль-
эллипсоидальной преломляющей поверхностью
wn = arccos п.
При использовании акустич. Л.
в звуковидении или УЗ-вой техноло-
технологии коэфф. усиления звукового давле-
давления в фокусе позволяет рассчитывать
соответственно чувствительность при-
приёмных устройств и максимальную ин-
интенсивность звука в фокусе. Для аку-
акустич. Л. коэфф. усиления К сущест-
существенно зависит от коэфф. поглощения
178
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
аеука а в материале Л.; напр., для Л.
со сферич. преломляющей поверх-
поверхностью
'- "° се! '
где I — толщина Л., Ко—• коэфф.
усиления той же Л. в отсутствии по-
потерь.
Фокусирующие Л. могут создавать-
создаваться не только путём придания опреде-
а б
Рис. 2. Неоднородные линзы: а — линза Люне-
берга; б — линза Максвелла; В — фокус линзы.
лённой формы преломляющим поверх-
поверхностям, но и путём плавного непрерыв-
непрерывного изменения показателя преломле-
преломления материала по заданному закону —
т. н. неоднородныеЛ. На прак-
практике применяются неоднородные Л.
в форме сферы или прямого круглого
цилиндра. Ес-
Если показатель
преломления
внутри сферы
или прямого ци-
цилиндра радиуса
а изменяется с
расстоянием R
от центра или
оси по закону
и(Д) =
Козфф. прохождения звуковой вол-
волны через обычную Л. с плавным из-
изменением профиля (рис. 1) зависит от
толщины Л. 17 достигая максимума при
'шах = «V2 (га = 0, 1, 2, 3,...) и ми-
минимума при lmin = Bга — 1)А,/4, где
X — длина УЗ-вой волны в материале
линзы. Чтобы этого избежать, делают
т. н. зональные Л. ступенчатой фор-
формы с толщиной ступеней, равной гаЯ/2
(рис. 3). Вписанная в Л. кривая пред-
представляет собой часть эллипса
или окружности.
На практике применяются
также волноводные аку-
стич. Л., к-рые представляют
собой набор каналов, различаю-
различающихся по акустич. длине пути
на К (рис. 4). В фокусе такой
Л. происходит синфазное сло-
сложение волн, прошедших через
каналы. Акустич. Л. с пере-
переменным фокусным
расстоянием представля-
представляют собой оболочку из податли-
материала, напр, резины, за-
заполненную жидкостью (при этом
С2 <^ ci)- Изменяя статич. давление
жидкости внутри оболочки, можно
менять её радиусы кривизны и тем
самым — фокусное расстояние Л. Та-
Такие Л. удобны, напр., для подводных
вого
Рис. I. Вол-
новодная лин-
линза: х — рас-
расстояние от
плоского
фронта волны
до фокуса F.
х+2\
Рис. 3. Зональная лин-
линза: F — фокус линзы.
= 1/2 - (Л/аJ,
то получается
неоднородная
Л. Люнеберга
(рис. 2,а), ос-
основное свойст-
свойство которой со-
состоит в том, что плоская волна, па-
падающая по любому направлению на
Л., собирается в фокусе на её по-
поверхности. Если же га(-Я) = 2/[1 +
-f (-R/яJ], то получается неоднород-
неоднородная Л. Максвелла (рис. 2,6); при нор-
нормальном падении на полулинзу Макс-
Максвелла плоской волны фокус распола-
располагается также на её поверхности.
звуковизоров, т. к. позволяют дистан-
дистанционно регулировать фокусное рас-
расстояние без механич. перемещений Л.
Лит.: Розенберг Л. Д., Звуковые
фокусирующие системы, М.—Л., 1949,
с. 69—91; его ж е, в кн.: Источники мощ-
мощного ультразвука, М., 1967 (Физика и техни-
техника мощного ультразвука, кн. 1), с. 149—206;
Тартаковский Б. Д., «Акует. ж.»,
1962, т. 8, ЛВ 2, с. 228—32: Каневский
И. Н., Фокусирование звуковых и ульт-
ультразвуковых волн, М., 1977; Tarnoczy
Т., «Ultrasonics», 1965, v. 3, p. 115—27.
И. Н. Каневский.
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ ультра-
ультразвуковые (УЛЗ) — устройства,
предназначенные для задержки злек-
трич. сигналов на время от долей
микросекунд до десятков миллисе-
миллисекунд, основанные на использовании
упругих волн. Применяются в раз-
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
179
личных областях электронной техники
(радиолокационная аппаратура, уст-
устройства связи, телевидение, вычисли-
вычислительные машины и др.). УЛЗ состоят
из трёх основных элементов (рис. 1,о):
входного 1 и выходного 2 электроаку-
электроакустических преобразователей, преобра-
преобразующих соответственно электрич. ко-
колебания в упругие на входе УЛЗ и
упругие колебания в электрические
на её выходе, и звукопровода 3,
Рис. 1. Схемы
включения уль-
ультразвуковых ли-
линий задержки,
работающих «на
проход» (а) и «на
отражение» (б);
1 и 2 — преобра-
преобразователи; з —
звукопровод.
в к-ром распространяются упругие
волны. Задержка в УЛЗ обусловлена
относительно малой скоростью рас-
распространения упругих волн в звуко-
проводе (приблизительно в 105 раз
меньше скорости распространения
электромагнитных волн). В зависимо-
зависимости от характера включения УЛЗ мо-
могут работать «на проход» (рис. 1,а)
или «на отражение» (рис. 1,6). В пер-
первом случае входной и выходной пре-
преобразователи разделены, во втором —
один и тот же преобразователь рабо-
работает как входной в момент подачи на
пего задерживаемого сигнала и как
пыходной при съёме с него задержан-
задержанного сигнала. Вследствие обратимо-
обратимости УЛЗ любой из концов линии (при
нключении «на проход») может рас-
рассматриваться как входной или выход-
выходной, поэтому обозначения «вход» и
«выход» в УЛЗ условны. Для электро-
моханич. преобразования в УЛЗ ис-
используются преимущественно пьезо-
пьезоэлектрические преобразователи, а в
иок-рых случаях — магнитострик-
ционные преобразователи. Звукопро-
нодом УЛЗ служит твёрдая среда,
и к-рой упругие волны распространя-
распространяются с относительно малыми потерями.
Помимо описанных, известны также
акустооптич. УЛЗ, в к-рых фиксация
задержанного сигнала осуществляется
с использованием взаимодействия све-
светового пучка с распространяющимися
в звукопроводе объёмными или по-
поверхностными упругими волнами (см.
Акустооптика). Однако широкого
применения такие УЛЗ не получили.
Основные параметры УЛЗ. Время
задержки Т определяется длиной
пути L, проходимого упругими волна-
волнами в звукопроводе от входного пре-
преобразователя до выходного, и скоро-
скоростью их распространения с, т. е.
Т = Ыс. Рабочая частота
/0 примерно равна резонансной частоте
преобразователей. Частота / задержи-
задерживаемого радиосигнала должна совпа-
совпадать с /0. В случае задержки видео-
видеосигнала его следует сначала преобра-
преобразовать в радиосигнал с частотой за-
заполнения, равной /0, а затем выделить
огибающую задержанного сигнала
(продетектировать). Возможна и не-
непосредственная задержка видеосиг-
видеосигнала, однако при этом неизбежны зна-
значительные искажения его формы и
нек-рое увеличение потерь в УЛЗ.
Полоса пропускания Д/
определяется преимущественно доб-
добротностью преобразователей. В широ-
широкополосных УЛЗ с большой задерж-
задержкой Д/ зависит также и от частотной
характеристики потерь распростра-
распространяющихся в звукопроводе упругих
волн. Потери в УЛЗ, определяемые
обычно коэфф. D = iOlgWBX/WBhlx,
где Wsx и WBbIX — мощности сигнала
соответственно на входе и на выходе
УЛЗ, складываются из потерь на дву-
двукратное электромеханич. преобразо-
преобразование на входном и выходном преоб-
преобразователях и потерь при распрост-
распространении упругих волн в звукопроводе.
Первые зависят от типа применяемых
преобразователей, их материала и
конструкции, а вторые — от частоты
(растут с её увеличением), а также от
материала и конструктивных особен-
особенностей звукопровода. Уровень
ложных сигналов (УЛС) оп-
определяется отношением амплитуды наи-
наибольшего из ложных сигналов к ам-
амплитуде задержанного сигнала. К лож-
ложным относятся все сигналы на выходе
УЛЗ, задержка к-рых отличается от
заданной. Величина УЛС существен-
существенно зависит от конструкции звукопро-
звукопровода. Температурный ко-
коэффициент задержки (ТКЗ)
определяется гл. обр. зависимостью
скорости распространения упругих
волн в звукопроводе от темп-ры, что?
180
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
в свою очередь, определяется его ма-
материалом. В зависимости от назначе-
назначения УЛЗ преобладающее значение по-
получают те или иные из упомянутых
параметров.
УЛЗ условно можно разделить на
три группы в зависимости от вида
применяемых упругих воли, формы
звуконровода и его размеров. В УЛЗ
на объёмных волнах акустич. энергия
локализуется по всему сечению звуко-
провода, размеры к-рого существенно
превышают длину упругих волн;
в УЛЗ на поверхностных волнах упру-
упругие волны распространяются по по-
поверхности звукопровода, размеры се-
сечения к-рого также превышают длину
упругих волн (акустич. энергия лока-
локализуется здесь в поверхностном слое,
глубина к-рого соизмерима с длиной
волны); в волноводных УЛЗ акусти-
акустическая энергия локализуется по все-
всему сечению звукопровода, однако
его размеры соизмеримы с длиной
распространяющихся в нём упругих
волн.
В каждой из перечисленных групп
можно выделить специальные, функ-
функционально обособленные УЛЗ. К ним
относятся: калибрационные, включае-
включаемые «на отражение», дающие на выхо-
выходе последовательность равноотстоя-
равноотстоящих друг от друга задержанных сиг-
сигналов при подаче на вход одиночного
сигнала и применяемые преимущест-
преимущественно для контроля параметров радио-
радиолокационной аппаратуры; многоот-
многоотводные, у к-рых несколько выходов
с различными задержками при одном
общем входе, применяемые в основном
для формирования кодированных сиг-
сигналов и в качестве согласованных
фильтров для их обработки; перемен-
переменные, с плавно меняющейся задержкой,
применяемые в специальной измери-
измерительной аппаратуре; дисперсионные,
у к-рых время задержки сигналов
зависит от частоты и к-рые широко
используются в устройствах форми-
формирования и сжатия сигналов с внутри-
импульсной частотной модуляцией.
Для дисперсионных УЛЗ в связи со
специфич. характером их использова-
использования, помимо перечисленных парамет-
параметров, обычно указываются также
коэфф. сжатия (произведение полосы
пропускания дисперсионной УЛЗ Д/
на время дисперсии, или длительность
рпстянутого сигнала т) и уровень бо-
боковых лепестков у сжатого сигнала.
Перечисленные УЛЗ относятся
к т. н. пассивным устройствам. При-
Применение пьезополупроводника в ка-
качестве материала звукопровода позво-
позволяет использовать эффект усиления
ультразвука (акустоэлектронное взаи-
взаимодействие), благодаря чему возмож-
возможно существенное уменьшение потерь
в УЛЗ; такие линии задержки наз.
активными (см. Акустоэлектроника).
УЛЗ ва объёмных волнах. Звуко-
проводы этих УЛЗ изготавливаются
из плавленого кварца, магниевого
сплава, специального стекла, моно-
монокристаллов кварца и солей NaCl,
КС1 и др., соответственно они обычно
наз. кварцевые, магниевые, стеклян-
стеклянные и монокристаллические. Увеличе-
Увеличение времени задержки в пределах за-
заданного размера звукопровода дости-
достигается за счёт многократных отраже-
Вх Выхi
Рис. 2. Направления распространения
ультразвукового пучка в ультразвуковых
линиях задержки с звукопроводами раз-
различной формы: о — многоугольной; б —
прямоугольной с малыми углами отраже-
отражения; в — прямоугольной с углами отра-
отражения 45°; г — «двухэтажной».
ний УЗ-вого пучка от границ звуко-
провод — воздух на пути от входа до
выхода УЛЗ (рис. 2). Преобразовате-
Преобразователями в этих УЛЗ служат пьезопла-
стинки преимущественно из пьезоке-
рамики или из кристаллич. кварца,
к-рые закрепляются (приклеивают-
(приклеиваются, припаиваются или привариваются
с помощью диффузионной сварки) на
входном и выходном концах звуко-
звукопровода. Типичные значения парамет-
параметров перечисленных УЛЗ приведены
в табл. 1.
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ 181
Табл. 1. — Типичные значения основных параметров УЛЗ
на объёмных волнах
УЛЗ
Монокристалличеекие
Термо-
компен-
сиро-
ванные
кристалличе-
кристаллический кварц
плавленый
кварц—маг-
кварц—магниевый сплав
Калибрационные ....
т,
тто
ДО
до
ДО
1
МКС
3000
1000
4000
1000
1000
700
-20
/о, МГц
20 — 60
10-60
20-60
4—60
10 — 30
10 — 30
10-150
0
0
0
II
0
0
0
Д///о
,2-0
, 1 —"
,2-0
,2-0
,2-0
,1-0
, 1~0
3
,4
Н
,3
,2
,3
Параметры
тто
по
ДО
ттп
ДО
ДО
ДБ
10
R0
5 0
711
80
60
—
пт
от
от
от
от
от
УЛС
-26
- 20
- 26
- 26
- 26
- 20
, ДБ
ДО —
ДО —
ДО —
ДО —
ДО -
ДО —
4П
зо
40
All
30
30
ТКЗ
от —
ОТ +
10-", 1/град
70 до — 110
155 до+250
+ 90
ОТ+0.5 ITO 4-1 0 0
от±
от
1,5 до± 2,0
± 3 до ± 4
—
Вх
Сравнительно малый ТКЗ стеклян-
стеклянных УЛЗ определяется свойствами
специального стекла, из к-рого изго-
изготовлен звукопровод. Потери в этом
стекле тем больше, чем ниже значе-
значение ТКЗ. Поэтому максимальная за-
задержка при ТКЗ ~ Ю-6 1/град не
превосходит 100 мкс, в то время как
при ТКЗ = 10~5 1/град задержка мо-
может достигать 1000 мкс.
Уменьшение ТКЗ в тер-
мокомпенсирова иных
УЛЗ из кристаллич.
кварца достигается бла-
благодаря разнице в знаке
ТКЗ на различных уча-
участках пути, проходимого
УЗ в звукопроводе. Ана-
Аналогичным образом в
кварцево-магниевойУЛЗ
для уменьшения ТКЗ
используется разница в
знаке ТКЗ для плавле-
плавленого кварца и магние-
магниевого сплава. Величины
потерь в кварцевых и
магниевых УЛЗ с пре-
преобразователями из кри-
кристаллич. кварца указа-
указаны в табл. 1. Примене-
Применение пьезокерамич. пре-
преобразователей позволяет снизить по-
потери на 20—30 дБ.
Калибрационные УЛЗ на
объёмных волнах имеют звукопровод
в форме прямого бруска с прямоуголь-
прямоугольным или круглым сечением, на одном
из торцов к-рого закреплён преобра-
преобразователь, а интервал задержки опре-
определяется двойной длиной звукопро-
вода. Значения их параметров см.
it табл. 1. У многоотводных
УЛЗ (рис. 3) число отводов обычно не
превышает 20—30, время задержки
может быть от единиц до сотни мко
с разницей между отводами от долей
до десятков мкс. Остальные парамет-
параметры практически не отличаются от ука-
указанных в табл. 1 применительно к со-
соответствующему материалу звукопро-
вода. Впеременных УЛЗ плав-
плавное изменение задержки осуществля-
осуществляется изменением рабочей длины зву-
Вых
Рис. 3. Примеры конструкций многоотводных ультразвуко-
ультразвуковых линий задержки на объёмных волнах.
копровода, что, в свою очередь, до-
достигается смещением одной его части
относительно другой (рис. 4,а,б) или
путём перемещения электрода по од-
одному из преобразователей, закреплён-
закреплённому на звукопроводе клиновидной
формы (рис. 4,в). Акустич. контакт
между смещаемыми частями звуко-
проводов достигается с помощью жид-
жидкого переходного слоя (смола, масло
и др.). Звукопроводы переменных УЛЗ
изготавливаются преимущественно из
плавленого кварца или из магниевого
182
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
сплава. Скорость изменения задерж-
задержки здесь не превосходит 10 мкс/с,
а интервал изменения задержки со-
составляет 10—20 мкс. К недостаткам
этих УЛЗ относятся неустойчивость
Вых
Рис. 4. Примеры
конструкций пере-
переменных ультразву-
ультразвуковых линий за-
задержки на объём-
объёмных волнах.
задержанного сигнала в процессе из-
изменения задержки и относительно вы-
высокий УЛС (более —20 дБ). К дис-
дисперсионным УЛЗ могут быть
отнесены перпендикулярно-дифрак-
перпендикулярно-дифракционные и клиновые. У первых вход-
входной и выходной преобразователи вы-
выполнены в виде однофазных неэквиди-
неэквидистантных решёток (т. е. решёток с пе-
переменным шагом — расстоянием меж-
между соседними электродами; решётка
с постоянным шагом наз. эквиди-
эквидистантной), образованных параллель-
параллельными полосками из пьезоэлектрика
(напр., из CdS или ZnO), нанесёнными
на взаимно перпендикулярные грани
звукопровода из плавленого кварца
(рис. 5,а). Эффект дисперсии скорости
звука здесь имитируется благодаря
разнице в расстояниях, проходимых
волнами различной длины, излучён-
излучёнными входной решёткой в направле-
направлении выходной под разными углами
(дифракционные максимумы решёт-
решётки). У вторых (рис. 5,6) преобразова-
преобразователь в виде неэквидистантной одно-
однофазной решётки наносится на наклон-
наклонную грань клина, а другой преобра-
преобразователь в виде пластины или плён-
плёнки закреплён на боковой грани. Раз-
Разница в расстояниях между отдельными
частотно-избирательными участками
неэквидистантной решётки и вторым
преобразователем также позволяет
имитировать эффект дисперсии.
Время дисперсии в перпендикуляр-
перпендикулярно-дифракционных УЛЗ, работающих
на частотах ~ 20—60 МГц, не пре-
превышает 20 мкс. Клиновые дисперсион-
дисперсионные УЛЗ работают на частотах 20—
1000 МГц; время дисперсии здесь не
превышает 10 мкс на /0 = 20 МГц и
уменьшается до 1—2 мкс с увеличе-
увеличением /0. Коэфф. сжатия в этих УЛЗ
может достигать 500 при уровне бо-
боковых лепестков, не превышающем
—30 дБ.
УЛЗ на объёмных волнах, работаю-
работающие на частотах 400—500 МГц и выше,
наз. гиперзвуковыми ли-
линиями задержки (ГЛЗ). Зву-
копроводы ГЛЗ изготавливаются пре-
преимущественно из монокристаллов
кварца, ниобата лития, рутила, сап-
сапфира, рубина, железо-иттриевого гра-
граната (ЖИГ) и алюмо-иттриевого гра-
граната (АИГ). Звукопроводы вырезаются
из кристалла и имеют вид бруска
с заданной кристаллографич. ориента-
ориентацией. Возбуждение и приём гипер-
гиперзвука в ГЛЗ со звукопроводами из
непьезоэлектриков (сапфира, рубина
и др.) осуществляются плёночными
преобразователями преимущественно
из CdS и ZnO, напылёнными на тор-
торцы бруска (на один или на оба в зави-
зависимости от включения ГЛЗ «на отра-
отражение» или «на проход» соответствен-
соответственно). Применяются также и магнито-
Вых
Рис. 5. Дисперсионные линии задерж-
задержки: а — перпендикулярно-дифракционная;
б — клиновая.
стрикционные преобразователи, в ка-
качестве к-рых используются никеле-
никелевые плёнки. В таких ГЛЗ (рис. 6,а)
поверх активной плёнки 1, напылён-
напылённой на звукопровод 2, напыляется
плёнка электрода 3 (золото, серебро
и др.). Время задержки в ГЛЗ с плё-
плёночными преобразователями редко
превышает 15—20 мкс на частотах до
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
183
1—3 ГГц и уменьшается до 0,5—
2 мкс с повышением частоты до
10 ГГц. Величина потерь в этих ГЛЗ
составляет 40—60 дБ при
А///о= 0,2-0,5.
Возможность пробоя плёнок застав-
заставляет ограничивать среднюю мощность
импульсов, подаваемых на вход ГЛЗ,
величиной ~ 50 МВт.
Рис. 6. Гиперзвуковые линии задержки:
я — с плёночными преобразователями
A —плёнка, 'г — звукопровод, 3 — элект-
электрод); б — со звукопроводом 1 из пьезо-
электрика, закреплённым в резонаторе 2.
В ГЛЗ со звукопроводами из пьезо-
электрика (напр., из кристаллич.
кварца иди ниобата лития — рис. 6,6)
преобразование осуществляется также
и путём непосредственного взаимодей-
взаимодействия электрич. поля резонатора- 2
с приповерхностным слоем торца зву-
копровода 1, закреплённого в этом
резонаторе. Эти ГЛЗ работают на
частотах до 3—4 ГГц и обеспечивают
задержки 5—10 мкс при относитель-
относительной полосе пропускания 0,01—0,02
и потерях до 70 дБ для ниобата лития
или 90—100 дБ для кристаллич. квар-
кварца. Максимально допустимая импульс-
импульсная мощность на входе таких ГЛЗ
составляет до 1 кВт. Существенное
уменьшение потерь в ГЛЗ и соответ-
соответственно увеличение задержки (на-
(например, до 1000 микросекунд и более
на частотах до 3—4 ГГц при потерях
60—70 дБ) может быть достигнуто
охлаждением звукопровода до 70 К
и ниже.
Переменные и дисперсионные ГЛЗ
реализуются с применением магнито-
упругих волн, возбуждаемых в звуко-
проводе из ЖИГ. Изменение задержки
здесь обусловлено гл. обр. переносом
областей возбуждения и приёма маг-
нитоупругих волн, что, в свою очередь,
достигается изменением напряжён-
напряжённости внешнего постоянного магнит-
магнитного поля (т. е. поля подмагничива-
ния). Пределы изменения ч задержки
в такой электрически регулируемой
переменной ГЛЗ равны 1—10 мкс,
потери составляют до 70 дБ на часто-
частотах до 3 ГГц. На частотах до 9 ГГц
потери возрастают до 100 дБ при мак-
максимальной задержке около 5 мкс.
Т. к. дисперсионные свойства магнито-
упругих волн сказываются различно
при различных значениях напряжён-
напряжённости внешнего магнитного поля Яо,
то в переменных ГЛЗ используется
область Но, где дисперсионные свойст-
свойства выражены слабо. Поэтому относи-
относительная полоса пропускания таких
ГЛЗ не превышает 0,05—0,1. Диспер-
Дисперсионные ГЛЗ на магнитоупругих вол-
волнах работают на частотах до 9 ГГц
и обеспечивают дисперсию в пределах
долей мкс в относительной полосе
пропускания до 0,1.
УЛЗ на поверхностных акустиче-
акустических волнах (ПАВ) получили широкое
распространение в качестве микро-
микроминиатюрных устройств для обработ-
обработки сигналов. Эти линии обычно наз.
УЗ-выми независимо от их рабочей
частоты. Электромеханич. преобра-
преобразование осуществляется здесь с помо-
помощью электродов, нанесённых на по-
поверхность пластины, к-рая служит
звукопроводом, в виде двухфазных
эквидистантных или неэквидистант-
неэквидистантных решёток (рис. 7) (их наз. также
«встречно-штыревыми»). Ширина элек-
электродов и промежутков между ними
в направлении распространения ПАВ
в большинстве случаев равна Х/4, где
% — длина волны ПАВ. Толщина
электродов обычно не превышает 0,1 —
0,2 мкм. Пластина звукопровода выре-
вырезается из монокристалла пьезоэлектри-
ка (кристаллич. кварца, ниобата ли-
Вх
Вых
Вых
Рис. 7. Схемы ультразвуковых линий за-
задержки на поверхностных волнах с пре-
преобразователями в виде а — эквидистант-
эквидистантных, б — неэквидистантных решёток.
тия, германата висмута и др.) или из-
изготавливается из уплотнённой пьезо-
керамики. Чистота обработки рабочей
поверхности звукопровода при работе
на частотах до 200—300 МГц не ниже
14-го класса. Для работы на более вы-
184
ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
соких частотах поверхность обрабаты-
обрабатывается с помощью ионной бомбарди-
бомбардировки. Нанесение решёток на рабочую
поверхность звукопровода для частот
до 500 МГц (ширина электродов по-
порядка 1—2 мкм) осуществляется мето-
методом фотолитографии, а для более
высоких частот — с применением рент-
генолитографии и электронолитогра-
фии. Известны также УЛЗ на ПАВ,
в к-рых материалом звукопровода
служит непьезоэлектрик (напр., плав-
плавленый кварц), а материалом решё-
решёток — активные плёнки пьезоэлектри-
ков CdS или ZnO. Однако такие
УЛЗ пока не получили широкого рас-
распространения. Параметры УЛЗ на
ПАВ зависят: время задержки — от
скорости распространения ПАВ и рас-
расстояния между решётками, рабочая
частота и полоса пропускания— от
структуры и размеров решёток, поте-
потери — от материала звукопровода и
чистоты обработки его поверхности.
Низкий УЛС достаточно просто до-
достигается здесь нанесением погло-
поглощающих покрытий на нерабочие по-
поверхности звукопровода. Типичные
значения основных параметров УЛЗ
на ПАВ со звукопроводами из наибо-
наиболее часто применяемых материалов
даны в табл. 2.
Табл. 2. —Типичные значения
основных параметров УЛЗ
на поверхностных волнах
Материал
звукопровода
Кристаллич.
кварц . . .
Ниобат лития
Германат вис-
висмута ....
Пьезокерами-
ка
Параметры
Г,
МКС
1 — 100
1-20
1-100
1-20
/о, МГц
10—103
10-3-103
10 — 60
10-30
А///о
0, 15
0,3
0, 15
0,3
D,
ДБ
30 — 60
8-40
20-50
8-15
УЛС в этих УЛЗ обычно не превы-
превышает —40 дБ. Относительная полоса
пропускания в отдельных случаях
может быть расширена до 1,0. При ра-
работе в СВЧ диапазоне (до 3-Ю3 МГц)
задержка обычно не превышает еди-
единицы мкс.
Существенное увеличение времени
задержки возможно в т. н. спиральных
и дисковых УЛЗ на ПАВ. В спираль-
спиральных УЛЗ (рис. 8,а) звукопровод (пре-
(преимущественно из няобата лития) имеет
две скруглённые торцевые поверхно-
поверхности, поэтому траектория УЗ-вого пуч-
пучка имеет вид спирали. Задержка УЛЗ
этого типа может достигать 2000 мкс
при /0 = 50—60 МГц. В дисковых
УЛЗ (рис. 8,6) увеличение пути, про-
проходимого УЗ-вым пучком, достигается
многократной его циркуляцией вокруг
Вых
Рис. 8. Схема спиральной (о) и дисковой
(б) линий задержки.
замкнутой поверхности тонкого ди-
диска из монокристалла пьезоэлектри-
ка. Переход пучка с одной рабочей
поверхности диска на другую проис-
происходит по плавно искривлённой тор-
торцевой поверхности диска, к-рая слу-
служит для пучка как бы геодезич.
«линзой». Ряд таких «линз» на пути
пучка позволяет задать определённую
направленность распространения пуч-
пучка ПАВ. Соответствующая кристалло-
графич. ориентация кристалла, из
к-рого изготовлен диск, может обеспе-
обеспечить разницу в знаках ТКЗ для отдель-
отдельных участков траектории пучка, при
к-рой в этой линии имеет место термо-
термокомпенсация. При этом возможен
ТКЗ порядка 10~6 1/град. В случае
работы дисковой УЛЗ со звукопрово-
Вых
Рис. 9. Переменная линия задержки на
поверхностных волнах с перемещающейся
парой электродов.
дом из кристаллич. кварца на ча-
частотах 40—60 мГц возможна задерж-
задержка до 250 мкс при D ^ 40 дБ и УЛС
ниже —30 дБ.
Переменная УЛЗ на ПАВ
(рис. 9) реализуется путём механпч.
перемещения пары электродов 1 вдоль
ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ
185
рабочей поверхности звукопровода 2
из кристалла кварца. Такая УЛЗ
обеспечивает плавное изменение вре-
времени задержки Т в пределах от 1 до
10—20 мкс на частотах 10—30 МГц
Вых
Рис. 10. Много-
Многоотводные линии
задержки на по-
поверхностных
волнах.
с полосой пропускания 3—10 МГц
при потерях 60—70 дБ. Многоот-
Многоотводные УЛЗ (рис. 10) получили
широкое распространение благодаря
относительной простоте их реализа-
реализации. В многоотводных УЛЗ, работаю-
работающих на частотах до 103 МГц, число
отводов ограничено минимальным ин-
интервалом между ними, соответствую-
Рис. 11. Схемы дис-
дисперсионных линий
задержки, у кото-
которых: а—время за-
задержки Т с увели-
увеличением частоты
ш = 2я/
уменьшается; б —
время Т с увеличе-
увеличением (о увеличивает-
увеличивается; в — совмещены
оба эффекта.
благодаря разнице в расстояниях
между участками входной и выходной
решёток, работающими на различных
частотах (участки с различным шагом
решёток). На рис. 11,а показано рас-
расположение неэквидистантных решё-
решёток, при к-ром с увеличением / умень-
уменьшается Т, а на рис. 11,6 — наоборот
(противоположный наклон дисперси-
дисперсионной характеристики). На рис. И,в
показана возможность реализации и
того и другого эффекта в одной УЛЗ,
имеющей два входа и один выход. Из-
Известны дисперсионные УЛЗ, у к-рых
входом и выходом служат две экви-
эквидистантные решётки (рис. 12), а эф-
эффект дисперсии имитируется с помо-
помощью двух отражающих неэквидистант-
неэквидистантных решёток, выполненных в виде
двух рядов отражающих элементов,
повёрнутых навстречу друг другу
на 45° относительно направления рас-
распространения ПАВ. Отражающим эло-
UX1 « |
к. а
щим Т около 0,1 мкс. Дисперси-
Дисперсионные УЛЗ на ПАВ получили наи-
наибольшее распространение во многих
областях техники, т. к. позволяют
относительно просто осуществлять
преобразование и обработку сигналов.
Эффект дисперсии в них имитируется
ментом здесь могут служить: тонкие
металлич. полоски, шунтирующие
электрич. поле на поверхности пьезо-
кристалла; полоски из диэлектрика,
механически нагружающие заданные
участки поверхности; канавки; уча-
участки поверхности с различными плот-
Табл. 3. — Типичные значения основных параметров
дисперсионных УЛЗ на поверхностных волнах
/о, МГц
20—300
300 — 700
700-2000
д///„
Коэфф. потерь D,
дв
Коэфф. сжатия
Уровень боковых
ал звуко-
вода
Матери
про
ниобат лития . . .
кр иста л личес кий
кварц
ниобат лития ....
кварц .....,,;».
лепестков, дБ ......
от 0,1 до 0,3
15-20
(в отдельных случаях до 1,0)
20—40
50
на 10 — 15 дБ больше
до 1000 — 1500
до 1500-2000
до -40
186
ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ
ностью и упругостью, изменение
к-рых достигается ионным внедрением
или внесением металла путём диффу-
диффузии.
Вых
Рис. 12. Дисперсионная ли-
линия задержки с отражающими
канавками.
Волноводные УЛЗ в зависимости
от формы звукопровода делятся на
ленточные (полосковые), в к-рых
используются сдвиговые волны, и
проволочные, в к-рых приме-
применяются продольные и преимуществен-
преимущественно крутильные волны. Ленточные зву-
копроводы волноводных УЛЗ изго-
изготавливаются из алюминиевых спла-
сплавов, а также из специальных термо-
термостабильных сплавов на основе инвара.
Преобразователями в этих УЛЗ слу-
служат пьезопластинки из кристаллич.
кварца или из пьезокерамики, закреп-
закрепляемые на концах лент, служащих
звукопроводами. Проволочные УЛЗ
изготавливаются из сплавов на осно-
основе никеля и из дисперсионно-твердею-
птих термостабильных сплавов. Пре-
Преобразователями в проволочных УЛЗ,
работающих на крутильных волнах,
служат пьезокерамич. преобразова-
преобразователи цилиндрич. формы с соответст-
соответствующей поляризацией или магнито-
стрикционные преобразователи (в
этом случае имеет место преобра-
преобразование продольных волн в крутиль-
крутильные). Волноводные УЛЗ с магнито-
стрикционными преобразователями
наз. магнитострикционными УЛЗ.
К ним относятся и проволочные УЛЗ,
работающие на продольных волнах
(рис. 13). Время задержки определя-
определяется расстоянием между входным 1
и выходными 2 и 3 преобразователями;
постоянные магниты 4, создающие
иоле подмагничивания, исключают
удвоение частоты задерживаемого сиг-
сигнала.
Верхнее значение рабочей частоты
волноводных проволочных УЛЗ обыч-
обычно не превосходит 4—5 МГц и лен-
ленточных — 10—20 МГц. Оно ограни-
ограничено технологич. условиями: толщи-
толщиной ленточных или диаметром прово-
проволочных звукопроводов, а также и раз-
размерами используемых преобразова-
преобразователей, к-рые должны быть существен-
существенно меньше длины распространяющихся
в звукопроводе волн (% = 0,6—1,0 мм
при /0 = 5 МГц). Основное преимуще-
преимущество волноводных УЛЗ — возмож-
возможность получения задержки до 20 мс
при Д///о до 0,5 и потерях не более
20—30 дБ (при /„ = 0,5—1,0 МГц
и Д///о = 0,1 может быть получена
задержка до 100 мс). К числу волно-
волноводных УЛЗ, ещё не получивших
широкого распространения, но доста-
достаточно перспективных, относятся во-
волоконные УЛЗ со звукопроводом в ви-
виде волокна капиллярного типа, изго-
изготовленного из звукопроводного стек-
стекла (напр., из плавленого кварца).
Диски из пьезокерамики, закреп-
закреплённые на концах волоконной нити
и служащие пьезопреобразователями
в этих УЛЗ, возбуждают ПАВ, рас-
распространяющиеся по внутренней по-
поверхности капилляра. В волоконных
УЛЗ получена задержка до 700 мкс
на частотах до 100 МГц при относи-
относительной полосе пропускания до 0,15—
0,3 и потерях до 70 дБ.
Многоотводные и переменные вол-
волноводные УЛЗ достаточно просто реа-
реализуются на основе магнитострикци-
Вых
Рис. 13. Схема устройства магнитострик-
ционной линии задержки: 1 — входной,
2 — выходной, 3 — дополнительный пре-
преобразователи; 4 — постоянные магниты.
онных УЛЗ. Так, для создания много-
многоотводных УЛЗ достаточно на выходе
магнитострикционных УЛЗ ввести
соответствующее число дополнитель-
дополнительных преобразователей (напр., 3 на
рис. 13). Изменение задержки осуще-
осуществляют механическим перемещением
вдоль звукопровода одного из преоб-
преобразователей. Параметры этих спсци-
ЛОКАЦИЯ
187
альных УЛЗ практически не отлича-
отличаются от параметров магнитострикци-
онных УЛЗ, приведённых выше. Од-
Однако одним из существенных их не-
недостатков является слабая виброустой-
виброустойчивость. Широко используются вол-
новодные дисперсионные УЛЗ с лен-
ленточным звукопроводом, толщина
к-рого равна половине длины распро-
распространяющейся в нём продольной нор-
нормальной волны. Такие УЛЗ работают
на частотах до 30 МГц. Изменение
времени задержки в пределах линей-
линейного участка дисперсионной характе-
характеристики может составлять до 100 мкс
и более. При нелинейности дисперси-
дисперсионной характеристики~2% Д///о обыч-
обычно не превышает 0,1. Для расширения
А///о Д° 9'^ ПРИ нелинейности дис-
дисперсионной характеристики не более
±1,5% применяются ленточные зву-
копроводы с толщиной, изменяющейся
по длине звукопровода. Дисперсион-
Дисперсионные УЛЗ с проволочными звукопро-
водами из-за технологич. ограниче-
ограничений работают на частотах до 2—3 МГц.
Коэфф. сжатия в таких УЛЗ не пре-
превышает 100—150 при уровне боковых
лепестков порядка от —25 до —30 дБ.
Разновидностью описанных явля-
являются ленточные дисперсионные УЛЗ
со звукопроводом в виде слоистого
волновода, состоящего из относитель-
относительно толстой подложки и нанесённой
на неё тонкой плёнки, толщина к-рой
соизмерима с длиной распространяю-
распространяющихся в этом звукопроводе волн Лява
(см. Поверхностные волны). В зависи-
зависимости от рабочей частоты дисперси-
дисперсионной УЛЗ материалами звукопро-
звукопровода могут быть поликристаллич.,
аморфные или монокристаллич. веще-
вещества, при этом скорость распростране-
распространения волн Лява в подложке должна
быть всегда больше, чем в плёнке.
Материалами подложки слоистых вол-
волноводов в большинстве случаев слу-
служат кремний, кристаллич. кварц, бе-
бериллий, ниобат лития и плавленый
кварц, а материалами плёнки — воль-
вольфрам, германий и стекло. Возбужде-
Возбуждение и приём волн Лява осуществля-
осуществляется двухфазными эквидистантными
решётками, если материалом под-
подложки служит пьезоэлектрик (напр.,
кристаллич. кварц или ниобат лития),
или с помощью пьезопластинок, за-
закреплённых на концах звукопровода.
Лит.: Соколинский А. Г., Су-
Сухаревский ГО. М., Магниевые уль-
ультразвуковые линии задержки, М., 1966;
Каринский С. С, Устройства об-
обработки сигналов на ультразвуковых по-
поверхностных волнах, М., 1975; Моро-
Морозов А. И. и др., Пьезополупроводни-
ковые преобравователи и их применение, М.,
1973; Захарьящев Л. И., Конструи-
Конструирование линий задержки, М., 1972; Физи-
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер.
с англ., т. 1,ч. А, М., 1966; Э в е л е т, Об-
Обзор ультразвуковых линий задержки, ра-
работающих на частотах ниже 100 Мгц,
«ТИИЭР», 1965, т. 5, J\S 10; Поверхностные
акустические волны — устройства и приме-
применение, «ТИИЭР», 1976, т. 54, J\S 5; Т у р-
н у а, Лярда, Линии задержки с диспер-
диспергирующей волной Лява для сжатия широко-
широкополосных индексов, [пер. с англ.], «Зару-
«Зарубежная радиоэлектроника», 1971, № 6;
Так ер Д т., Рэмптон В., Гипер-
Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ.,
М., 1975; Olson F. A., Today's micro-
microwave acoustic (bulk wave) d'elay lines,
«Microwave J.», 1970, v. 13, JY« 3.
А. Г. Соколинский.
ЛОКАЦИЯ ультразвуко-
ультразвуковая — метод обнаружения и иссле-
исследования объектов путём анализа из-
излучённых ими или отражённых от
них УЗ-вых волн. Если определение
направления на объект и его местопо-
местоположения производится по созданному
им звуковому полю, Л. наз. пас-
пассивной, а если по отражению от
него сигнала, излучаемого специаль-
специальными устройствами, то — а к т и в-
н о й. При активной Л. пользуются
как импульсным, так и непрерывным
излучением звука. В импульсном ре-
режиме расстояние Я до объекта опреде-
определяется по времени t запаздывания
отражённого эхо-сигнала, причём
R = 1/2 ct, где с — скорость звука
в среде. В непрерывном режиме рас-
расстояние определяют, измеряя разность
фаз посылаемого и отражённого сиг-
сигнала. Л. с использованием искусст-
искусственных источников УЗ применяется
в УЗ-вой дефектоскопии, гидролока-
гидролокации и навигации, медицине (см. Диа-
Диагностика) и других отраслях челове-
человеческой деятельности. Предпринима-
Предпринимаются попытки использовать УЗ-вую
Л. для ориентации в пространстве
человека с отключённым или ограни-
ограниченным зрением, т. н. У 3-вые локаторы
для слепых.
Локация у животных.
В природе УЗ-вая Л. обнаружена
у нек-рых представителей птиц и мле-
млекопитающих: летучих мышей, обычно
ведущих ночной образ жизни, птиц
гуахаро, обитающих в тёмных пеще-
пещерах, нек-рых землероек, нек-рых пред-
представителей зубатых китов — жителей
водной среды, где возможности зри-
188
ЛОКАЦИЯ
тельного восприятия ограничены. Л.
служит для ориентации животных
в пространстве, а также для обнару-
обнаружения и преследования добычи. Эф-
Эффективность УЗ-вой Л. у них велика.
Так, летучие мыши обнаруживают
проволоку диаметром 0,2 мм, натя-
натянутую на расстоянии 5 мм от плоской
отражающей поверхности. Дельфин
афалина обнаруживает свинцовый ша-
шарик диаметром 3 мм на расстоянии
4 м. С помощью УЗ-вой Л. дельфины
легко различают мишени, к-рые не-
незначительно отличаются по форме
или по материалу.
УЗ-вые сигналы, излучаемые жи-
животными для целей Л., имеют либо им-
импульсный, либо гармонич. характер.
Гармонич. сигналы наиболее харак-
характерны для летучих мышей. Так,
у гладконосой летучей мыши сигнал
начинается с частоты 75 кГц, продол-
продолжается 2—5 мс и за это время его ча-
частота линейно падает до 45 кГц.
У большого подковоноса тон постоян-
постоянной частоты 81—82 кГц длится в те-
течение 40—100 мс, но в конце сигнала
его частота быстро (за 1—3 мс) пада-
падает до 60—70 кГц (рис. 1,а). У других
летучих мышей наблюдали промежу-
промежуточные типы сигналов, а у одного рода
летучих мышей обнаружили импульс-
140
120
,100
«80
I 60
5 40
20
0 10 20 30 40 50 о ю 0 |0
Время, мс
Рис. 1. Схематическое изображение со-
нограмм эхо-локационных сигналов: а —
большого подковоноса; б — остроухой
ночницы; в — дельфина афалины.
ные УЗ-вые сигналы. Звуковое давле-
давление, характеризующее эхо-локацион-
эхо-локационные сигналы летучих мышей, изме-
измеренное в нескольких см от животного,
колеблется от десятых долей Па до
десятков Па.
По-видимому, у всех летучих мы-
мышей УЗ генерируется в гортани, веро-
вероятнее всего, вследствие колебаний
очень тонкой и упругой голосовой
снмнки. Излучение осуществляется че-
puu рот или ноидри и направлено впе-
рёд. У большого подковоноса для фо-
фокусировки сигнала используется ин-
интерференция звуков, выходящих из
двух ноздрей, расстояние между
к-рыми соответствует 1/2 длины волны
излучаемого монохроматич. сигнала.
Ширина диаграммы направленности
в горизонтальной плоскости для изу-
изученных видов летучих мышей состав-
составляет 30—50°.
Другие наземные млекопитающие,
использующие УЗ-вую Л.,— мадагас-
карские землеройки; они излучают
сигналы импульсного типа длитель-
длительностью 0,1—3,5 мс с наивысшей часто-
частотой около 20 кГц.
Локационные сигналы дельфинов
очень малой длительности @,04—
0,1 мс) с широким спектром C0—
150 кГц). У дельфина азовки в сигнале
заметна тональная составляющая
с периодом 10 мс. Механизмы генера-
генерации УЗ-вых сигналов у дельфинов
пока не ясны. Довольно острая на-
направленность излучения A0—15°).
связывается с фокусирующим дейст-
действием костей черепа и участка жиро-
жировой ткани, расположенного перед че-
черепом (т. н. акустич. линза). Частота
следования сигналов как у летучих
мышей, так и у дельфинов зависит
от задачи, решаемой посредством Л.
При поиске и ориентации сигналы
обычно излучаются редко, частота
следования увеличивается при пре-
преследовании добычи.
Животные, использующие УЗ-вую
Л., как правило, отличаются гипер-
гипертрофированным развитием слуховой
системы, особенно центральных об-
образований мозга и улитки внутренне-
внутреннего уха. У большого подковоноса ре-
реакция нервных клеток слуховой си-
системы отличается особенно высокой
частотной избирательностью. Боль-
Большинство нервных клеток обладает
наибольшей чувствительностью в об-
области частот 82—83 кГц. Сдвиг часто-
частоты тона уже на 1 кГц вызывает рез-
резкое понижение чувствительности
(рис. 2), что позволяет подковоносам
легко выделять эхо-сигнал, частота
к-рого вследствие эффекта Доплера
отличается от частоты излучённого
звука. При полёте летучая мышь под-
подстраивает излучение звука таким об-
образом, чтобы его частота соответство-
соответствовала диапазону, в к-ром чувствитель-
чувствительность слуховой системы резко сни-
снижена (около 81 кГц), а частота эха
ЛЭМБА ВОЛНЫ
189
находилась в области максимальной
чувствительности. Этот механизм,
во-первых, позволяет оценивать ско-
скорость объекта локации и, во-вторых,
повышает отношение сигнала (эхо)
к помехе (излучённый сигнал). У глад-
коносых летучих мышей для улучше-
улучшения отношения сигнал — помеха ис-
используется другой механизм. Вслед-
Вследствие малой длительности излучаемых
Рис. 2. Схемати-
Схематическое изображе-
изображение области реак-
реакции нейрона слу-
слуховой системы
большого подково-
подковоноса. Точка — ко-
координата излучае-
излучаемого сигнала, на
который реакция
отсутствует; кру-
кружок — ахо-сигнал,
вызывающий реак-
реакцию.
70 80
Частота. кГц
этими животными сигналов они обыч-
обычно не перекрываются с эхом во вре-
времени; при этом слуховая система на
время звукоизлучения затормажива-
затормаживается. Это осуществляется путём сокра-
сокращения мышц среднего уха и времен-
временного понижения чувствительности
центральных слуховых нейронов. Оба
механизма вступают в действие ещё до
начала излучения и прекращаются
до прихода эхо-сигнала.
По-видимому, подобный же метод
последовательного анализа излучён-
излучённого звука и эхо-сигнала использу-
используется и дельфинами. Импульсы, разде-
разделённые интервалом более 0,5 мс,
воспринимаются дельфинами как со-
гершенно раздельные и не маскируют
ДРУГ друга. О высокой способности
слуховой системы дельфина к быстро-
быстрому восстановлению чувствительности
свидетельствуют и первые результаты
электрофизиологич. опытов на этих
животных. Классификацию объектов
дельфин осуществляет на основе тон-
тонкого частотно-временного анализа от-
отражённого сигнала, состоящего, как
правило, из первичного и вторичного
эха. Особое значение имеет при этом
иторичное эхо, структура к-рого за-
иисит от материала, формы, размеров
мишени.
Лит.: Айрапетьянц Э. Щ., Кон-
Константинов А. И., Эхолокация в
природе, 2 изд., Л., 1974; Бельно-
вич В. М., Дубровский Н. А.,
Сенсорные основы ориентации китообраз-
китообразных, Л., 1976. Я. Г. Бибиков.
ЛУЖЕНИЕ ультразвуко-
ультразвуковое — нанесение с помощью УЗ тон-
тонкого слоя олова на поверхности изде-
изделий и полуфабрикатов (листов, лен-
ленты, проволоки и др.), гл. обр. из ме-
металла (стали, меди и их сплавов),
для защиты их от коррозии. См. Ме-
Металлизация и пайка.
ЛЭМБА ВОЛНЫ — упругие вол-
волны, распространяющиеся в твёрдой
пластине (слое) со свободными грани-
границами, в К-рых колебательное смещение
частиц происходит как в направлении
распространения волны, так и перпен-
перпендикулярно плоскости пластины. Л. в.
представляют собой один из типов
нормальных волн в упругом волново-
волноводе — в пластине со свободными гра-
границами. Т. к. эти волны должны
удовлетворять не только ур-ниям тео-
теории упругости, но и граничным усло-
условиям на поверхности пластины, кар-
картина движения в них и их свойства
более сложны, чем у волн в неогра-
неограниченных твёрдых телах.
Л. в. делятся на две группы: сим-
симметричные s и антисимметричные а.
В симметричных волнах движение
происходит симметрично относитель-
относительно средней плоскости z = 0 (рис. 1,а),
т. е. в верхней и нижней половинах
ЛАД/
Рис. 1. Схематическое изображение дви-
движения в пластинах при распространении
в них а — симметричной и б — антисим-
антисимметричной волн Лэмба. Ось х — направле-
направление распространения волн. Стрелками по-
показано направление смещений по осям
х и 2.
пластины смещение и по оси х имеет
одинаковые знаки, а смещение w по
оси z — противоположные. В анти-
антисимметричных волнах движение анти-
антисимметрично относительно плоскости
z = 0 (рис. 1,6), т. е. в верхней и ниж-
нижней половинах пластины смещение и
имеет противоположные знаки, а сме-
смещение w — одинаковые. В пластине
190
ЛЭМБА ВОЛНЫ
толщиной 2h при частоте <й может
распространяться определённое ко-
конечное число симметричных и анти-
антисимметричных Л. в., отличающихся
одна от другой фазовыми и групповы-
е« 7
7Гб
ми скоростями и распределением сме-
смещений и напряжений по толщине
пластины. Число волн тем больше,
чем больше значение wft/cj, где с; —
фазовая скорость сдвиговых волн.
При малых толщинах пластины
(tiyhfcf <^ 1) в ней возможно распро-
распространение только двух Л. в. нулевого
порядка: s0 и а0, к-рые представляют
соответственно продольную и изгиб-
ную волны в пластине (см. Изгибные
волны). Продольная волна очень по-
похожа на продольную волну в неогра-
неограниченном твёрдом теле: в ней преоб-
преобладает продольная компонента сме-
смещения и и только вследствие того,
что грани пластины свободны, появ-
появляется небольшое смещение w, к-рое
в Cflmh раз меньше продольного.
Вследствие уменьшения продольной
жёсткости из-за податливости боко-
боковых граней фазовая скорость с;пл этой
волны немного меньше фазовой ско-
скорости с; продольной волны в неогра-
ниченном твёрдом теле и равна:
с/пл = Ciy Jb|Z_, где 0 - коэфф. Пу-
Пуассона. При увеличении толщины пла-
пластины свойства волн s0 и а0 меняются:
они становятся всё более похожими
одна на другую. При wh/ct > 1 их
фазовые и групповые скорости стре-
стремятся к фазовой скорости Рэлея
волн cR (рис. 2), смещения локали-
локализуются вблизи свободных границ пла-
пластины и их распределения с глубиной
стремятся к распределению смеще-
смещений по глубине в рэлеевской волне.
Рис. 2. Зависи-
Зависимость * фазовой
с* (о) и группо-
групповой сгр (С) ско-
скоростей симмет-
симметричных sи анти-
антисимметричных а
волн Лэмба раз-
различных поряд-
порядков в пластине
из алюминия,
отнесённых к
Ш И \? И 14 И (Л скорости сдви-
сдвиговых ВОЛН С(
от величины
ft Л = wh/ct\
пунктирная ли-
линия соответству-
соответствует величине
ся/ct.
Т. о., каждая из волн s0 и ад превра-
превращается в две рэлеевские волны на
обеих поверхностях пластины.
Л. в. порядка выше нулевого появ-
появляются только при нек-рых «крити-
«критических» значениях со/г/с(. При докри-
тич. толщинах и частотах в этих вол-
волнах нет потока энергии, и они пред-
представляют собой движение, быстро за-
затухающее вдоль пластины. При кри-
тич. значениях a>h/ct по толщине пла-
пластины укладывается чётное или не-
нечётное число продольных или сдвиго-
сдвиговых полуволн, и рождающаяся Л. в.
представляет собой чисто продоль-
продольную или чисто сдвиговую стоячую вол-
волну, образованную двумя волнами со-
соответствующих поляризаций, распро-
распространяющимися с равными амплиту-
амплитудами в положительном и отрицатель-
отрицательном направлениях оси z. Фазовые ско-
скорости Л. в. сФ при этом равны беско-
бесконечности, а групповые сгр — нулю.
При значениях <ahlct, больших кри-
критических, фазовые скорости Л. в.
становятся отличными от бесконеч-
бесконечности, а групповые — от нуля. Это
можно интерпретировать как поворот
направлений распространения двух
продольных или сдвиговых волн, об-
образующих стоячую волну в критич.
области, от оси z в сторону положи-
положительной оси х. При этом из-за отраже-
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
191
вия от границ пластины возникают
волны другой поляризации, и Л. в.
оказывается «составленной» из четырёх
компонент (рис. 3): двух продольных
волн с волно-
волновым вектором
fe; И ДВуХ СДВИ-
СДВИГОВЫХ с волно-
1
Z
'*' v
Рис. 3. Волна
Лэмба в плас-
пластине толщиной
^»t' 2Л, представ-
представленная в виде
совокупвости двух сдвиговых и двух про-
продольных волн; х — направление распро-
распространения волиы Лэмба.
вым вектором kt, «припасованных» одна
к другой таким образом, что проек-
проекции всех волновых чисел на ось х
одинаковы, а напряжения, создавае-
создаваемые четырьмя волнами на граничных
поверхностях z = ±h, равны нулю.
Распределение смещений и напряже-
напряжений по сечению пластины характе-
характеризуется узлами и пучностями,
а траекториями частиц среды в вол-
волнах становятся эллипсы, эксцентри-
эксцентриситет к-рых зависит от типа и порядка
волны, глубины и коэфф. Пуассона
материала пластины.
При больших толщинах пластины
(kth > 1) у всех Л. в., кроме волн
s0 и а0, имеется только смещение
w по осиг, распределённое по толщине
синусоидально с пространственным пе-
периодом 2hln(n — порядок волны) или
гт—. Отношение амплитуды этого
П — '/2
смещения на поверхности к амплиту-
амплитуде в толще пластины стремится к ну-
нулю, т. е. движение в каждой Л. в.,
кроме s0 и а0, становится локализо-
локализованным в толще и не «выходит» на по-
поверхность. Для волн s0 и а0, как уже
отмечалось, напротив, имеет место
своеобразный скин-эффект. Фазовые
и групповые скорости всех волн (кро-
(кроме s0 и а0) при kt h > 1 стремятся к ct.
Л. в. могут распространяться не
только в плоских пластинах из одно-
однородного изотропного материала. Они
существуют также в искривлённых
пластинах, в пластинах с неоднород-
неоднородными механич. свойствами и в пласти-
пластинах, вырезанных из кристаллов. В этих
случаях их свойства усложняются.
Л. в. широко применяются на прак-
практике: для всестороннего неразрушаю-
щего контроля листовых материалов и
конструкций (выявление дефектов»
определение толщины изделий и т. д.>
и в системах для обработки электрич.
сигналов (ультра- и гииерзвуковы&
линии задержки электрич. сигналов,
фильтры и т. д.). В неразрушающем
контроле Л. в. диапазона 0,1—
10 МГц удачно дополняют объёмны»
УЗ-вые волны, с помощью к-рых
контроль возможен только в толстых
массивных образцах. Для систем об-
обработки очень ценным свойством Л. в.
является зависимость фазовой и груп-
групповой скоростей от частоты, благода-
благодаря чему можно создавать т. н. диспер-
дисперсионные линии задержки, где время
задержки сигнала зависит от частоты.
Такие линии задержки и фильтры су-
существуют в частотном интервале 0,1—
200 МГц.
Лит.: Викторов И. А., Физиче-^
ские основы применения ультразвуковых
волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966,
гл. 2; К о л ь с к и й Г., Волны напряжения
в твердых телах, пер. с англ., М., 1955;
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона,
пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 2;
Б р е х о в с к и х Л. М., Волны в слоис-
слоистых средах, М., 1957, гл. 1. И. А. Викторов.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ультра-
ультразвуковая — то же, что звуколю-
минесценция.
ЛЯВА ВОЛНЫ — см. Поверхност-
Поверхностные волны.
м
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МА-
МАТЕРИАЛЫ — ферромагнитные ме-
металлы и сплавы (см. Ферромагнетики),
а также ферриты, обладающие хорошо
выраженными магнитострикционными
свойствами и применяемые для изго-
изготовления магнитострикционных пре-
преобразователей.
192
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наиболее употребительные метал-
лич. М. м.— никель и сплавы на его
основе, а также железокобальтовые и
железоалюминиевые сплавы. Их ис-
используют в поликристаллич. форме
и изготавливают по обычной метал-
лургич. технологии, прокатывая в
виде полос толщиной 0,1—0,3 мм
для уменьшения потерь на вихревые
токи.
К ферритовым М. м. относятся
ферриты со структурой шпинели —
феррит никеля и твёрдые растворы
яа его основе (включающие ферриты
кобальта, цинка, меди и др. добавки)
ж со структурой граната — в основ-
основном феррит-гранат иттрия (ИФГ).
Ферриты-шпинели употребляют в
виде поликристаллич. керамики,
к-рая изготавливается из окислов
(реже солей) металлов по керамич.
технологии, в форме монолитных сер-
сердечников; ферриты-гранаты выращи-
выращивают из расплава в виде монокристал-
монокристаллов.
Электромеханич. преобразователи
из М. м., в частности электроакустиче-
электроакустические преобразователи, находят широ-
широкое применение в УЗ-вой технике,
гидроакустике и акустоэлектронике
для излучения и приёма акустич.
волн, а также для изготовления аку-
акустич. фильтров, стабилизаторов и раз-
разнообразных датчиков в системах авто-
автоматики. Для преобразователя кон-
конкретного назначения М. м. выбирают
по характеристикам, определяющим
важные для данного применения свой-
свойства преобразователя. Измерение ха-
характеристик М. м. проводят с учётом
формы образца, к-рая может влиять
на их величину. Динамич. характе-
характеристики относят к определённым зна-
значениям постоянного поля подмагни-
чивания.
Свойства материала, непосредст-
непосредственно связанные с преобразованием
энергии, характеризуются коэфф.
магнитомеханич. связи К (см. Коэф-
Коэффициент, электромеханической свя-
связи), магнитострикционной постоян-
постоянной а и постоянной чувствительно-
чувствительности Л. Величина а = (яБ~) опреде-
определяет чувствительность электроаку-
стич. преобразователя (по электрич.
напряжению) как излучателя ультра-
ультразвука, величина А = l-g— ]„ — его
чувствительность (по звуковому давле"
нию) как приёмника (здесь а, и, В и
Н — соответственно механич. напря-
напряжение, деформация, магнитная ин-
индукция и напряжённость магнитного
поля; индексы и и Н при производ-
производных означают постоянство соответст-
соответствующих величин). Величины а, А, К
связаны соотношениями, в которые
входят также магнитная проницае-
проницаемость (J, и константа упругой податли-
податливости S.
Кроме того, величина jx определяет
индуктивность, т. е. электрич. импе-
импеданс т. н. зажатого преобразователя
(в отсутствии колебаний). Этот импе-
импеданс учитывается при согласовании
излучателя или приёмника звука
с электрич. схемой (с питающим ге-
генератором — в случае излучателя,
с усилителем — в случае приёмника)
и входит в качестве одного из элемен-
элементов в схему электромеханич. фильтра.
Константы упругости в комбинации
с плотностью р определяют скорость
распространения данного типа коле-
колебаний (скорость звука с) и соответст-
соответственно резонансную частоту для дан-
данной моды колебаний сердечника за-
заданных размеров. При расчёте про-
продольных колебаний сердечников из
изотропных поликристаллич. материа-
материалов пользуются обычно модулем Юнга
Е, при расчёте крутильных — моду-
модулем сдвига G.
Эффективность преобразования, или
коэфф. полезного действия (кпд), оп-
определяется наряду с коэфф. К маг-
магнитными и механич. потерями. Пер-
Первые характеризуются тангенсом маг-
магнитных потерь tgp, вторые — меха-
механич. добротностью Q. Магнитные по-
потери связаны с вихревыми токами,
зависящими от удельного электрич.
сопротивления рэл и с гистерезисом,
косвенно характеризуемым величиной
коэрцитивной силы Нс. Величина
Q материала играет весьма важную
роль для фильтров и стабилизаторов,
а также для УЗ-вых излучателей,
работающих с малой акустич. нагруз-
нагрузкой. При сильно нагруженных излу-
излучателях (напр., в гидролокации, в ус-
установках УЗ-вой очистки, при при-
применении ультразвука в металлургии)
добротность Q сказывается лишь на
величине механоакустич. кпд, к-рый
на практике всегда в таких случаях
достаточно высок.
Величины К, а, А, ц, а также tgp
и Q сильно зависят от постоянного
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
193
поля подмагничивания На (рис. 1).
Обычно рекомендуется работа преоб-
преобразователя при т. н. оптимальном по-
поле подмагничивания Яопт, соответ-
соответствующем максимуму К. Для фильт-
, 4 дин
Рис. 1. Зави-
Зависимость ц, К,
а от поля под-
подмагничивания
Но для никеля
(пунктир) и пер-
мендюра (сплош-
(сплошная линия) при
малой амплиту-
амплитуде возбуждаю-
возбуждающей индукции.
20 40 И*.
ров и стабилизаторов весьма сущест-
существенна и относительно небольшая за-
зависимость от На констант упругости
(см. Дельта Е-эффект) и механич. до-
добротности. Кроме того, у М. м. имеет
место значительная амплитудная за-
зависимость констант преобразования
и потерь, причём изменение К, а, (х,
tg p обычно относят к амплитуде ин-
индукции Вт, а изменение Q — к ампли-
амплитуде механич.напряжения ат (рис.2,3).
Такая нелинейность свойств материа-
материалов — один из факторов, обусловли-
обусловливающих предельную интенсивность
излучения магнитострикционных пре-
преобразователей. Она связана с явлением
магнитного насыщения (см. Магнито-
стрикция, Ферромагнетизм) и по-
а • 10"'
2^4/ 0Л
ш
№
ь-
а
^—
—-—
l-pM^^t 02
4 8 12 Вт,нГс
Рис. 2. Зависимость а и tgp от амплитуды
возбуждающей индукции Вт для никеля
(пунктир), пермендюра (сплошная линия)
и феррита никеля (штрихпунктир) при
Но, соответствующем максимуму а.
этому может характеризоваться маг-
нитострикцией насыщения %s и ин-
индукцией насыщения Bs. Предельное
магнитострикционное напряжение
aMmax « %s ¦ El2 определяет предельную
интенсивность сильно нагруженных
излучателей. При слабой нагрузке
предельная амплитуда колебаний изт
лучателей определяется усталостной
динамич. прочностью стпр. Прочност-
Прочностные свойства материала характери-
характеризуют также пределом статич. проч-
прочности стПр.ст и пределом текучести стт.
При работе с большой амплитудой
в режимах, близких к предельным, для
увеличения стмтах, сохранения относи-
относительно высокого значения Q, умень-
уменьшения tgp и снижения амплитудной
зависимости свойств материалов целе-
целесообразно применять поле Но, в не-
несколько раз превышающее НоиТ (напр.,
постоянное поле, соответствующее
максимуму величины а). • •
Температурная стабильность
свойств, особенно важная для приме-
применения М. м. в фильтрах, стабилизато-
стабилизаторах и т. п., характеризуется темпера-
температурным коэфф. (Т. К.) соответствую-
соответствующей величины. В эксплуатационных
Рис. 3. Зависи- О
мость механич.
добротности Q 2000
стержневого об-
образца от ампли- 1500
туды механичес-
механического напряжения 1000
От для никеля
(пунктир) ,пермен- 500
дюра (сплошная
линия) и феррита п
никеля (штрих- 500 1000 1500 2000
пунктир). ' Чт,кгс/снг
условиях стабильность увеличивается
с повышением Кюри точки в мате-
материала.
В таблице приведены основные ха-
характеристики металлич. и феррито-
вых М. м., применяемых для изготов-
изготовления излучателей и приёмников зву-
звука. Эти данные касаются изотропных
поликристаллич. материалов и соот-
соответствуют основному применяемому
на практике виду колебаний, когда
колебательное смещение, постоянное
и переменное магнитные поля совпа-
совпадают по направлению.
В зависимости от условий приме-
применения преобразователей к М. м. мо-
могут предъявляться дополнительные
требования, такие, как коррозионная
стойкость, обеспечивающая возмож-
возможность длительной работы в воде или
в химически агрессивных средах; сла-
слабая зависимость свойств от статич.
механич. напряжений, обусловленных
гидростатич. давлением или влияни-
влиянием конструкции преобразователя; воз-
1
i
1
i
ч
194
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Табл. — Основные х
арактеристики
Материал
и его марка
Химический состав
I?
39
с; я
«о
II
Я
о
и
§§
Og-
Никель НП2Т, .
Сплав NiCo » , ,
Сплав NiCo . e ,
Сплав никоей , ,
Сплав пермендюр
49КФ
Сплав 65К ....
Сплав алфер
14Ю
Сплав алфер
12Ю ......
Феррит 21 СП А
Феррит
ВИБРОКС1. ,
Феррит
ВИБРОКС II
Феррокскуб 7А1
Феррокскуб 7А2
Феррокскуб 7В
Ni более 98%
4% Со, остальное
Ni
2,3% Cr, 1,4% Со,
остальное Ni
4% Со, 2% Si, ос-
остальное Ni
49% Со, 2% V,
остальное Fe
65% Со, остальное
Fe
14% А1, остальное
Fe
12,4% А1, остальное
Fe
Феррит Ni
Ni Cu Co-феррит
8,9
8,2
8,2
6,6
6,7
5,2
5,1
5,1
-5,2
~5,2
4,8-4,!
2, 15
2,15
2,25
1,9
2,05
2,05
1,63
1,58
1,79
1,7
1 ,75
4,9
4,9
5,0
4,8
5,2
5,2
5,0
4,8
5,9
5,4
5,6
5,6
5,7
35
210
200
70
110
30
16
12
22
20-30
15-22
60
55
400
500
60
30
30
1-2
2
2,5
0,4-0,6
0,4-0,6
1-1,7
0,3-0,6
0,3-0,6
1-1,7
1-1,7
0,8-1,2
1-1,7
0,8-1 ,2
2-4
2,3
2,7
2,9
1,8
2,2
1,5
1,15
0,85
2,4
1,9-
2,2
1,9-
2, 1
Примечание. Значения ц, tg 3, Q соответствуют Нопт; для К, а, Л даны макси-
нического напряжения <105Н/м2. Толщина листа для никеля и его сплавов 10~jm, для
металлических материалов и феррита 21СПА соответствует 10" циклам.
можность работы при остаточной на-
намагниченности без заметного измене-
изменения свойств со временем и т. п. С точки
зрения технологии изготовления сер-
сердечников важна пластичность металла;
существенную роль играет также про-
простота технологии, дешевизна и до-
стуиность исходных материалов.
Наиболее распространённый М. м.
для излучателей и приёмников зву-
звука — никель, обладающий хоро-
хорошими магнитострикционными, меха-
механическими, антикоррозионными свой-
свойствами. Его основной недостаток —
низкое электросопротивление. До-
Добавление к никелю кобальта позволя-
позволяет существенно повысить его дина-
мич. характеристики jx, Л, К и сни-
снизить потери на гистерезис, а добавле-
добавление хрома или кремния — повысить
его электросопротивление. Приём-
Приёмники и излучатели звука, изготов-
изготовленные из сплавов на основе никеля,
обладают большой чувствительностью
и эффективностью. Однако введение
добавок снижает магнйтострикцию
насыщения никеля и, следовательно,
предельную интенсивность излуче-
излучения. Сплав пермендюр облада-
обладает большими значениями Xs и Bs,
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
магнитострикционных материалов
195
8
И
И
к 2
iw ty ^
4) К Я
ils
III
S3
Кюри
ffl
Температу;
в, °С
360
410
260
350
980
980
500
600
590
—
550
530
530
590
II
о к
я я§
ч о —
||J
40
41
37
26 — 28
80
90
34
34
23
—
—
-
-
и-
пр,
а о
11
3*
о flu
\Щ
1000
1000
-
-
1100
-
-
300
200-250
150
100
100
—
юсти
J2
ОД
И
Si
3600
-
—
4200
5000
6700
7500
8000
600—800
400
500
500
-
II
0,26 —
0,3
0,43-
0,5
0,37
0,49
0,48-
0,54
),27-
0,30
Q.26
0,30
0,21
0,27
0,22
0,25 —
0,32
0,20-
0,26
0.19-
0,22
4,2
28
27
7
15
20
2,8
3,2-
4,9
2,3-
3,4
750
600
600
300
400
2000
2000
2500
0,7
1,0
3,0
1,8
3,4
0,8
12
16
10'
5- 10'
4- 10'
10'
10'
1,7
0,17-
0,25
1,4
1,0
0,25
0,1
2,7
1,7-
3,3
1,2-
2,5
6,1
7,0
4,8
6,2
24,0
22,0
12,0
16,0
3,3
3,2
3,2
3,2
-37
-36
-33
(-25)-
(-27)
+ 70
+ 90
+40
+40
-26
-30
-30
-28
-28
— 27
1000
850
3500
4500
5500
6000
мальные значения; tg 3 соответствует амплитуде индукции < 10~3 Т, Q — амплитуде меха-
железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов 2-10~4м. Усталостная прочность для
имеет высокие динамич. магнитостри-
кционные и магнитные характеристи-
характеристики и относительно большое электро-
электросопротивление. Предельная интен-
интенсивность излучения у него в четыре
раза больше, чем у никеля. Этот сплав
наиболее целесообразно применять
для мощных излучателей. Пермен-
дюровые излучатели сохраняют высо-
высокую добротность при больших ампли-
амплитудах. Дополнительные достоинства
этого сплава — возможность работы
при остаточной намагниченности, вы-
высокая темп-pa Кюри. Однако псрмен-
дюр корродирует в воде и неудобен
в обработке из-за малой пластично-
пластичности. Сплав 65К технологичнее
пермендюра и обладает большей маг-
нитострикцией насыщения, но по дина-
динамическим характеристикам и по элек-
электросопротивлению он заметно усту-
уступает последнему. Основное достоин-
достоинство железоалюминиевых
сплавов — недефицитность ис-
исходных материалов. При этом они
обладают достаточно хорошими дина-
динамич. ма гнитострикционными характе-
характеристиками, относительно малой элек-
электропроводностью, высокой темн-рой
Кюри. Недостаток их — коррозионная
196
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
нестойкость и повышенная хрупкость,
Затрудняющая их обработку. Излу-
Излучатели и приемники из металлич.
Mi м. применяются на частотах до
20—40 кГц. Интенсивность и ампли-
амплитуда их ограничиваются насыщением,
а также нагреванием вследствие соб-
собственных потерь.
Ферритовые М. м. практически не
обладают потерями на вихревые токи
и, следовательно, ограничением по ча-
частотному диапазону. Для излучателей
и приёмников УЗ используются М. м.
на основе феррита никеля (ферриты-
шпинели), иногда с добавлением фер-
феррита кобальта (для компенсации
магнитокристаллографич. анизотро-
анизотропии), феррита меди и избытка желе-
железа. Ферритовые М. м. имеют доста-
достаточно хорошие динамич. магнито-
стрикционные характеристики, боль-
большую механич. добротность, высокую
коррозионную стойкость. Возмож-
Возможность использования монолитных сер-
сердечников упрощает технологию из-
изготовления преобразователей из фер-
. ритов по сравнению с изготовлением
преобразователей из моталлич. М. м.
Ферриты дёшевы и не требуют дефи-
дефицитных материалов. Основной их не-
недостаток — малая предельная интен-
интенсивность излучателей и малая ампли-
амплитуда колебаний, ограничиваемые как
низкой механич. прочностью, так и
нелинейностью свойств ввиду невы-
невысокой магнитострикции и индукции
насыщения. Ферриты находят широ-
широкое применение как материал для
акустич. фильтров, где не нужна
большая амплитуда колебаний; ос-
основное их достоинство — высокая
добротность и малый температурный
коэфф. частоты (Т. К. /). Путём под-
подбора химич. состава ферритов, т. е.
процентного содержания в никелевом
феррите Со, Си, Fe, созданы специаль-
специальные марки ферритов для фильтров
(напр., феррокскуб 7В, ряд отечест-
отечественных марок), у к-рых ()»5000,
а Т. К. /<10~5.
В акустоэлектронике в СВЧ диа-
диапазоне A0^-1000 МГц) находят при-
применение монокристаллич. ферриты-
гранаты на основе редкоземельных
элементов. Основное их достоинст-
достоинство — малые потери и высокая меха-
механич. добротность. У ИФГ ()=&107 на
частоте 10 МГц, что на 1—2 порядка
превышает добротность кварца, tg[j =
= 0,03 на частоте 20 МГц. Другие свой-
свойства ИФГ: р = 5,17, В, = 1750 Гс,
/,„=—8.10-8, в = 367°'С. Кристал-
Кристаллы ИФГ используются для линий
задержки, в т. ч. с усилением сигна-
сигналов на основе использования нелиней-
нелинейных эффектов и с взаимодействием
акустических и спиновых волн (см.
Магнитоупругие волны).
Лит.: Справочник по электротехниче-
электротехническим материалам, 2 изд., т. 3, Л., 1976;
Матаушен И., Ультразвуковая техни-
техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые
преобразователи, пер. с англ., М., 1972;
П о п и л о в Л. Я., Справочник по элект-
электрическим и ультразвуковым методам обра-
обработки материалов, 2 изд., Л., 1971; N е р-
puras Е. A., «Sound and Vibration»,
1968, v. 8, № 3, p. 408—56; А в р а м е н-
к о М. Д. и др., «Акуст. ж.», 1968, т. 14,
№ 1, с. 25—29; Ганева Л. И., Г о л я-
мина И. П., там же, 1974, т. 20, Ш 3, с.
378—85; Van der Burgt С. М., «Ele-
«Electronic technology», 1960, v. 37, JMS 9, p.
330—41; Источники мощного ультразвука
(Физика и техника мощного ультразвука,
кн. 1), М., 1967, ч. 3; С ы р к и н Л. Н.,
Пьезомагнитная керамика, Л., 1972; Фи-
Физическая акустика, под ред. У. Мззона,
пер. с англ., т. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 5.
И. П. Голямина.
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕ-
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — электромеханиче-
электромеханический или электроакустический пре-
преобразователь, действие которого
основано на эффекте магнитострик-
магнитострикции. В М. п. используется гл. обр.
линейная магнитострикция ферро- и
ферримагнетиков в области техниче-
технического намагничивания (см. Ферромаг-
Ферромагнетизм).
М. п. представляет собой сердеч-
сердечник из магнитострикционных мате-
материалов с нанесённой на него обмот-
обмоткой. В М. п. — излучателе энергия
переменного магнитного поля, созда-
создаваемого в сердечнике протекающим но
обмотке переменным электрич. током,
преобразуется в энергию механич.
колебаний сердечника; в М. п. — при-
приёмнике энергия механич. колебаний,
возбуждаемых действующей на сер-
сердечник внешней переменной силой,
преобразуется в энергию магнитного
поля, наводящего переменную элект-
электродвижущую силу в обмотке. М. п.
используются в гидролокации, УЗ-вой
технологии, акустоэлектронике в ка-
качестве излучателей и приёмников
звука, фильтров, резонаторов, ста-
стабилизаторов частоты и т. п., а также
в различных областях техники для
измерений и контроля в качестве
разнообразных датчиков колебаний.
Материалом для М. п. — излучате-
излучателей и приёмников звука в гидроаку-
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
197
стике и УЗ-вой технике обычно слу-
служат металлич. магнитострикцион-
нЫе материалы — никель, пермен-
дюр, никель-кобальтовые и железо-
никелевые сплавы и керамич. магни-
тострикционные материалы на основе
феррита никеля. Работают такие М. п.
в частотном диапазоне от нескольких
сотен Гц до десятков кГц, причём
этот диапазон ограничивается сверху
у металлич, материалов потерями на
токи Фуко, а также конструктивны-
конструктивными факторами, обусловленными необ-
необходимостью создания сердечников с
замкнутым магнитным потоком для
уменьшения полей рассеяния. Для
фильтров, резонаторов и других ус-
устройств акустоэлектроники приме-
применяют, как правило, только феррито-
вые материалы ввиду их высокой доб-
добротности и (у некоторых составов)
высокой температурной стабильности
свойств. В диапазоне десятков и
сотен кГц в акустоэлектронике ис-
используются магнитострикционные
ферриты-шпинели, на частотах до
десятков и сотен МГц — ферриты-гра-
ферриты-гранаты на основе редкоземельных эле-
элементов.
В подавляющем большинстве слу-
случаев М. п. работают при наличии
постоянной составляющей магнитно-
магнитного поля Но (индукции Во), причём
соблюдается условие Вт<^В0, где
В,
¦ амплитуда переменной составля-
составляющей индукции. При таком подмаг-
ничивании постоянным полем имеет
место линеаризация эффекта магни-
тострикции и сердечник излучателя
колеблется с частотой возбуждаю-
возбуждающего поля, а эдс в обмотке приём-
приёмника имеет ту же частоту, что и внеш-
внешнее действующее на сердечник зву-
звуковое давление. Постоянное подмаг-
ничивание создаётся либо постоянным
током, протекающим по обмотке, ли-
либо с помощью постоянных магнитов,
вставленных в магнитопровод сер-
сердечника, либо за счёт остаточной на-
намагниченности. Величина Н0(В0) вы-
выбирается в зависимости от конкрет-
конкретных условий применения М. п. Для
того чтобы обеспечить максимальный
эффект преобразования, используется
т. н. оптимальное значение Но (Н0ПТ),
соответствующее максимуму коэфф.
магнитомеханической связи. В мощ-
мощных излучателях применяются зна-
значения Но, в два раза превышающие
Нопт, с целью сохранения линейной
зависимости между возбуждающей ин-
индукцией и механич. напряжением и
уменьшения механич. потерь. В це-
целях достижения предельной для дан-
данного магнитострикционного материа-
материала удельной мощности излучения
применяют B0^Bs/2, где Bs — ин-
индукция насыщения. В приёмниках
достаточной бывает остаточная на-
намагниченность, при к-рой магнито-
стрикционная константа чувствитель-
чувствительности близка к своему максимально-
максимальному значению. М. п. в фильтрах, ста-
стабилизаторах и т. п. устройствах ра-
работают как при остаточной намагни-
намагниченности, так и с подмагничиванием
постоянным полем. Подбирая вели-
величину постоянного поля и применяя
термомагнитную обработку, можно
управлять теми или иными свойства-
свойствами М. п., напр.: снижать потери,
повышать константы преобразования
и стабильность ' свойств (см. зависи-
зависимость характеристик материада от
Но в ст. Магнитострикционные ма-
материалы), изменять в известйых пре-
пределах рабочую частоту (см. Дельта
Е-эффект).
М. п. как излучатели, так и при-
приёмники звука используются обычно
в режиме резонансных колебаний
сердечника. На резонансе работают
и М. п. в устройствах акустоэлектро-
акустоэлектроники. М. п., применяемые в качестве
датчиков колебаний, могут использо-
использоваться и вне резонанса.
В гидроакустич. устройствах и
в промышленных УЗ-вых установках
чаще всего применяются М. п. стерж-
стержневого или кольцевого типа. Сердеч-
Сердечники стержневых М. п. представляют
собой два (или несколько) стержня,
совершающих продольные колебания
вдоль оси. Концы стержней соеди-
соединяются между собой накладкой, так
что образуется замкнутый магнито-
магнитопровод (рис. 1, а). Обмотка наносится
на стержни таким образом, чтобы
в соседних стержнях поле было на-
направлено противоположно. Геометрич.
параметры стержневого сердечника
обычно выбираются так, чтобы со-
сохранялась продольная устойчивость
при колебаниях стержней, не возни-
возникали паразитные изгибные колебания
накладок и чтобы резонансная часто-
частота понижалась без большого увели-
увеличения продольных размеров. Излу-
Излучение (или приём) звука происходит
со стороны накладок. При односто-
198
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
роннем излучении (или приёме) со
стороны неработающей поверхности
создают экран — воздушную подуш-
подушку (напр., с помощью пористой рези-
резины). Для кольцевых преобразовате-
преобразователей применяется тороидальная обмот-
обмотка, проходящая в нек-рых конструк-
конструкциях через отверстия в сердечнике
(рис. 1, б). В зависимости от способа
нанесения обмотки и от расположения
экранов звук излучается наружной
или внутренней цилиндрич. поверх-
поверхностью кольца: при помещении экра-
экрана на наружной поверхности излуча-
излучатель работает как фокусирующий,
при обклейке резиной изнутри он
излучает во внешнюю среду с равно-
Рис. 1. Преобразо-
Преобразователи из металли-
металлических магнитост-
рикционных мате-
материалов с сердечни-
сердечниками: а — стержне-
стержневой, бив — коль-
кольцевой формы. Стрелками (на всех рис.)
помечено направление тока в обмотке.
мерной азимутальной характеристи-
характеристикой направленности. Сердечники из
металлич. материалов для уменьше-
уменьшения потерь на токи Фуко набирают
из штампованных тонких пластин
(рис. 1, а и б) или навивают из тонкой
ленты (рис. 1, в). Толщина пластин
(ленты) составляет обычно 0,1—0,2 мм.
Для изоляции используется окисная
плёнка (на никеле) или плёнка из
к.-л. полимеризующейся смолы. Перед
сборкой сердечника материал под-
подвергают отжигу, режим к-рого может
влиять на свойства М. п. Сердечни-
Сердечники из ферритов используют монолит-
монолитными, ввиду большого электросопро-
электросопротивления этих материалов, и обычно
с вклеенными постоянными магнита-
магнитами (рис. 2). Применяют также стер-
стержневые сердечники, у которых на-
накладки выполнены не из магнитострик-
ционных, а из магнитно-мягких мате-
материалов.
N
S
r
s
N
у
Ферритовые сердечники в фильт-
фильтрах, резонаторах и т. п. устройствах
имеют форму колец, стержней, ган-
гантелей, трубок; при этом использу-
Рис. 2. Ферри-
Ферритовые преобра-
преобразователи с вста-
вставленными в мо-
монолитный сер-
сердечник постоян-
постоянными магнитами
(зачернены).
ются как продольные, так и крутиль-
крутильные колебания сердечников (рис. 3).
Сердечники, работающие на крутиль-
крутильных колебаниях, имеют форму трубок
или гантелей со сквозным отверстием
по оси и взаимно перпендикулярной
ориентацией постоянной и перемен-
переменной индукции. Напр., остаточная
индукция подмагничивания Во, соз-
созданная с помощью соосного с трубкой
соленоида, направлена по оси, а
переменное поле Н^ возбуждается
тороидальной обмоткой и ориентиро-
ориентировано по окружностям в плоскостях,
перпендикулярных оси (рис. 3, б).
Или циркулярная постоянная оста-
остаточная индукция возникает в резуль-
результате мощного импульса тока в про-
пропущенном через отверстие проводни-
проводнике, а переменное поле направлено
вдоль оси и соз-
создаётся соленои-
дальной,соосной
с сердечником об-
обмоткой (рис. 3,«),
1
лч1
Г
Энран
«5
1
t.
1L
а
Рис. 3. Магнитострикционные резонато-
резонаторы, работающие: а — на продольных,
б и в — на крутильных колебаниях.
Резонансные частоты /0 сердечни-
сердечников в виде тонких трубок или стерж-
стержней постоянного сечения вычисля-
вычисляются по формулам: /0 = ^г у — —
для продольных и /о — — Л/ —- —
для крутильных колебаний, где п —
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
199
номер гармоники, I — длина стержня
(трубки), Е — модуль Юнга, G —
модуль сдвига, р — плотность мате-
материала сердечника. При учёте конеч-
конечной толщины стержня радиуса г и
эффекта Пуассона выражение для /0
умножается на величину
где а — коэфф. Пуассона. Резонансные
частоты стержневого сердечника с на-
накладками определяются выражением:
я , , р 2я , ,
1С 8 У"ё7р" 01~ g VWv '
где li vi Si — длина и площадь попе-
поперечного сечения стержня, I я S —
те же величины для накладки. Резо-
Резонансная частота радиальных коле-
колебаний тонкого кольца или цилиндра
приближённо определяется ф-лой:
L_ . l/Z
- 2Я1-ср У Р '
гДе ^р— средний радиус кольца. На-
Наличие отверстий для обмотки пони-
понижает частоту кольцевого сердечника.
В зависимости от режима работы,
обусловленного нагрузкой в элект-
рич. цепи преобразователя («холостой
ход», «короткое замыкание» или про-
промежуточные режимы), в ф-лах для
резонансных частот будут фигуриро-
н,
вать модули упругости Е и G Е и
GB или же промежуточные между эти-
этими крайними величинами значения
модулей (см. М агнитострикция);
соответственно и сами значения ре-
резонансных частот будут несколько
различными.
В технологич. УЗ-вых установках
используют М. п. в сочетании с пас-
пассивными металлич. элементами — диа-
диафрагмами (рис. 4, а) и стержневыми
концентраторами (рис. 4, б). Излу-
Излучатели на основе М. п. с диафрагмами
широко используются в ваннах
УЗ-вой очистки, в устройствах для
воздействия УЗ на разнообразные про-
процессы, протекающие в жидкой фазе.
М. п. о концентраторами составляют
основу УЗ-вых инструментов для
механической обработки, сварки, вы-
выполнения хирургич. операций и т. п.
М. п. из металлич. материалов об-
обладают электроакустич. кпд~50%. У
ферритовых М. п. благодаря отсутст-
отсутствию потерь на токи Фуко и высокой
механической добротности кпд дости-
достигает — 70—80% . Интенсивность, т. е.
удельная мощность, двустороннего
излучения стержневых М. п. на резо-
резонансной частоте /„ определяется выра-
выражением:
а'В*т S\ , ,
' = ^-cos^Z,
где а — магнитострикционная кон-
константа, гн — механическое удепьное
сопротивление акустической нагруз-
нагрузки, с — скорость звука в материале
сердечника, т|ма — механо-
акустический кпд. Макси-
Максимальная интенсивность из-
лудения /max M. п. огра-
ограничивается при работе на
значительную акустич. на-
нагрузку (напр., при излуче-
Рис. 4. Магнитострикционные преобразо-
преобразователи: о — для ультразвуковых ванн,
6 —¦ для ультразвуковых инструментов.
нии в жидкость в докавитационном
режиме) нелинейностью свойств мате-
материала, обусловленной явлением маг-
магнитного насыщения. Для излучателей
из никеля /тах достигает —10—20
Вт/см2, для излучателей из железоко-
бальтовых сплавов (пермендюр, гипер-
ко) /тах составляет несколько десят-
десятков Вт/см2, для ферритовых излучате-
излучателей—10 Вт/см2. Пря работе с малой
нагрузкой (напр., в УЗ-вых инстру-
инструментах) ограничивающим фактором яв-
является механическая прочность мате-
материала. Так, у ферритовых излучате-
излучателей в отсутствии нагрузки амплитуда
колебаний ограничивается величиной
~2 мкм на частотах 20—40 кГц, у
металлич. излучателей амплитуда мо-
может достигать 10 мкм и более. Высо-
Высокая механич. прочность, отсутствие
специальных требований к гидро-
и электроизоляции сердечника явля-
являются достоинствами М. п., опреде-
определяющими в нек-рых случаях их преи-
преимущество перед пьезоэлектрическими
преобразователями при использовании
в диапазоне частот от 1 до 100 кГц
для целей гидроакустики и УЗ-вой тех-
технологии. При использовании ферри-
ферритовых М. п. в фильтрах и резонато-
резонаторах добротность их достигает десят-
200
МАГНИТОСТРИКЦИЯ
ков тысяч при относительной просто-
простоте изготовления и удобстве схемных
решений. М. п. на основе феррита-
граната иттрия (ИФГ) обеспечивают
устройствам акустоэлектроники в аку-
стич. СВЧ диапазоне добротность
до 10'.
Лит.: Харкевич А. А., Теория пре-
преобразователей, М.— Л., 1948; Г у тин
Л. Я., «Журн. технич. физики», 1945, т. 15,
№ 12, с. 924—41; Матаушен И., Ульт-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962;
Ультразвуковые преобразователи, под ред.
Е. Кикучи, пер. с англ., М., 1972; W о о 1-
1 е t t E. S., «IEEE transact.», 1968 SU 15,
Mi 4, p. 218—29; Г а н е в а Л. И., Г о-
л я м и н а И. П., «Акуст. ж.», 1974, т. 20,
Ms 3, с. 378—85. И. П. Голямина.
МАГНИТОСТРИКЦИЯ — деформи-
деформирование тел при изменении их маг-
магнитного состояния. Термин «М.» упот-
употребляют также для обозначения ве-
величины магнитострикционной дефор-
деформации X = &.1/1, т. е. относительного
изменения размера I образца в маг-
магнитном поле. Эффект М. сильно вы-
выражен в ферромагнетиках и нек-рых
ферритах, для к-рых к достигает
10~4 — 10~3; в антиферромагнетиках
он очень мал, а у диа- и парамагнит-
парамагнитных веществ практически отсутствует.
М. открыта в 1842 Дж. П. Джоулем,
обнаружившим изменение линейных
размеров ферромагнитного тела (ли-
(линейная М.) в направлении напряжён-
напряжённости магнитного поля Н(продольная
М., или эффект Джоуля). Деформи-
Деформирование тел наблюдается также и
в других направлениях, в частности
лежащих в плоскости, перпендику-
перпендикулярной _Н (поперечная М.). Величина
линейной М. в области технич. на-
намагничивания (т. е. до технич. на-
насыщения, см. Ферромагнетизм) зави-
зависит от угла между направлением из-
измерения % и вектором Н, а для ани-
анизотропных веществ (монокристаллов и
искусственно созданных текстур) —
также от углов между направлением
измерения % и кристаллографич. ося-
осями. В полях, превышающих поле
технич. насыщения, линейная М. не
зависит от направления. При намаг-
намагничивании наряду с линейными раз-
размерами изменяется и объём тел (объём-
(объёмная М.). Продольная, поперечная и
объёмная М. у разных веществ могут
иметь как положительный, так и от-
отрицательный знаки и существенно
различаться по величине (см. Маг-
нитострикционные материалы).
М. не имеет сдвиговых компонент,
если тело до действия магнитного по-
поля не было намагничено. В случаях
же, когда вектор К направлен пер-
перпендикулярно вектору начальной на-
намагниченности, возникают сдвиговые
деформации. Так, напр., при пропус-
пропускании тока по железному проводу,
помещённому в продольное магнитное
поле, провод закручивается (эффект
Видемана). С прямым эффектом М.
связан термодинамически обратный
ему магнитострикционный эффект:
изменение намагниченности / тел при
их деформации, открытый в 1865
Э. Виллари. В литературе обратный
магнитострикционный эффект наз.
также магнитоупругим.
Изменение направления I на про-
противоположное не меняет знак и вели-
величину М., поэтому её можно предста-
представить как чётную ф-цию /. В простей-
простейших случаях М. пропорциональна
I2 (в частности, при сильном одноос-
одноосном растяжении материалов с отри-
отрицательной М. или при сжатии мате-
-12
Рис. 1. Зависимость магнитострикции
монокристалла Fe от модуля безразмер-
безразмерной намагниченности \I/1S\ для различ-
различных кристаллографических направлений:
1 — [100]; г— [110]; з — [111].
риалов с положительной М.). Одна-
Однако обычно зависимость %A) более
сложна, а для нек-рых веществ, напр.
для железа, с ростом / может прохо-
проходить через максимум или минимум и
менять знак (рис. 1). В отличие от
ф-ции %A) зависимости М. от магнит-
магнитной индукции и напряжённости маг-
магнитного поля Н, т. е. ф-ции ЦВ)
и %{Н), неоднозначны и характери-
характеризуются гистерезисом М. (рис. 2);
при больших Н наблюдается тен-
тенденция к насыщению М.
Кривые М. для замкнутых и незам-
незамкнутых образцов, напр. для колец и
для стержней, могут существенно раз-
различаться вследствие влияния размаг-
размагничивающих полей.
Все перечисленные особенности М.
объясняются механизмом намагни-
намагничивания ферро- и ферримагнетиков,
МАГНИТОСТРИКЦИЯ
201
к-рый связан с их доменной структу-
структурой и обусловлен двумя типами сил:
обменными (имеющими электрич.
природу) и магнитными. Процесс
технич. намагничивания в слабых и
средних магнитных полях происходит
-Х-го6
Рис. 2. Гистерезис магнитострикции по-
поликристаллического Ni в зависимости от
напряжённости магнитного поля Н: 1 —
начальная кривая магнитострикции для
размагниченного материала; 2 и 3 — вет-
ветви петли гистерезиса.
под действием анизотропных магнит-
магнитных сил и сводится к смещению гра-
границ областей спонтанной намагни-
намагниченности — доменов — и к вращению
последних в магнитном поле. В более
сильных полях, превышающих поле
технич. насыщения, преобладает ис-
истинное намагничивание, т. е. измене-
изменение самого магнитного момента до-
доменов, т. н. парапроцесс, обусловлен-
обусловленный изотропными обменными силами.
Поскольку и обменная, и магнитная
энергии кристаллич. решётки явля-
являются ф-циями расстояния между маг-
магнитными атомами или ионами, то лю-
любое изменение магнитного состояния
сопровождается деформацией решёт-
решётки, т. е. М., причём в области технич.
намагничивания М. должна быть ани-
анизотропной (зависящей от направле-
направления), а в области парапроцесса —
изотропной. Т. о., каждый домен ха-
характеризуется наряду со спонтанной
намагниченностью /s спонтанной М.
%s. Для кубич. кристаллов, а следова-
следовательно, и для наиболее употребитель-
употребительных магнитострикционных материа-
материалов полное описание магнитострик-
магнитострикционных свойств с учётом анизотро-
анизотропии требует задания двух независи-
независимых составляющих %s, а именно к\ и
Х2. Константы %i и %2 рассчитывают
на основе квантовой теории М. с учё-
учётом не только магнитного спин-спино-
спин-спинового, но и спин-орбитального взаимо-
взаимодействия. Последнее особенно важно,
т. к. именно оно определяет влияние
деформации кристаллич. решётки на
магнитную энергию электронной под-
подсистемы ферромагнитного кристалла.
Для макроскопических изотропных
поликристаллич. веществ М. может
быть рассчитана в простейших слу-
случаях путём усреднения доменных эф-
эффектов по объёму тела с учётом всех
возможных положений отдельных
кристаллитов по отношению к на-
направлениям векторов Is, H и к на-
направлению измерения М.
В области технич. намагничивания
на величину М. и характер её зави-
зависимости от Н оказывает существенное
влияние текстура размагниченного
состояния, т. е. упорядоченное рас-
расположение доменов при / = 0. Такая
текстура может возникнуть в растя-
растянутых или сжатых образцах (рис. 3),
а также в результате нек-рых техно-
логич. операций (штамповки, прокат-
прокатки, прессования, термомеханич. и тер-
термомагнитной обработки). Указанные
операции применяют иногда с целью
увеличения или уменьшения М. маг-
магнитных элементов различного назна-
назначения.
Особый интерес с точки зрения ис-
использования эффекта М. в электроаку-
электроакустических преобразователях для из-
излучения и приёма звука представля-
представляют магнитострикционные явления
в магнитно-поляризованных средах,
т. е. в средах, имеющих отличную от
нуля постоянную составляющую ин-
Х-/0
0,5
С 0,5 1,0
б (///.)*
Рис. 3. Влияние одноосных механических
напряжений а на магнитострикцию Ni:
а — при сжатии, 6 — при растяжении.
Значения а в МПа: 1 — (—80); 2 — (—34);
S — (—1,5); 4 — (+1); 5 —(+104).
дукции: В о = \10Н0 + цо/о (где \i0 =
= 4я-10 7Г/м — магнитная постоян-
постоянная). Индукция Во может быть созда-
создана с помощью постоянных магнитов
или пропусканием постоянного (под-
магничивающего) тока по специальной
обмотке, или, наконец, за счёт ис-
использования остаточной намагничен-
намагниченности вещества. Если одновременно
с Во действует также переменная ин-
202
МАГНИТОСТРИКЦИЯ
дукция В, то возникают механич.
колебания той же частоты, что и ча-
частота колебаний В. При переменном
механич. воздействии на намагничен-
намагниченный постоянным полем образец на-
наблюдаются переменные составляющие
Л, В и /, изменяющиеся с частотой
возбуждающего механич. напряжения
о или деформации и. Если В<В0, то
между механич. переменными (а, и)
и магнитными (Н, В, I) существуют
линейные соотношения. Т. о., коле-
колебания малой амплитуды в поляризо-
поляризованном магнитострикционном материа-
материале внешне аналогичны пьезоэлектри-
пьезоэлектрическим (см. Пьезоэлектричество).
Поэтому их часто наз. «пьезомагнит-
ными», хотя они являются следстви-
следствием линеаризации эффекта М. большим
постоянным полем и не имеют отноше-
отношения к истинному пьезомагнетизму,
существующему в нек-рых антиферро-
антиферромагнетиках.
Разлагая термодинамич. ф-ции маг-
магнитно-поляризованной среды в степен-
степенные ряды по малым величинам /, Н,
о и ы и сохраняя только линейные
члены, можно получить четыре па-
пары изотермич. магнитострикционных
(«пьезомагнитных») ур-ний состояния,
соответствующих различному выбору
независимых переменных. В матрич-
матричной форме эти ур-ния записываются
в следующем виде:
I yuI. A)
и = shj -f dtH; 1 = jj.->da 4- v."H. B)
a = CHu — etH; I = (A-'eu 4- xuH. C)
u=*'a + ft'; Я = —|л-'^з 4-у"/. D)
Выбор той или иной системы ур-ний
определяется механич. и магнитны-
магнитными граничными условиями (верхние
индексы /, Н, и, а указывают на по-
постоянство соответствующей величины
для данного ур-ния). Коэффициенты
в ур-ниях A) — D) (кроме р,0) явля-
являются, вообще говоря, тензорами: С1
и Сн — постоянные упругости, si и
sH — постоянные упругой податли-
податливости, х° и хи — магнитные воспри-
восприимчивости, ус и уи — обратные маг-
магнитные восприимчивости. Если не-
независимые переменные синусоидаль-
синусоидально изменяются во времени, то величи-
величины а, и, Н, I в ур-ниях A) — D) сле-
следует трактовать как амплитуды соот-
соответствующих переменных. В качестве
магнитных переменных наряду с / и
Н используют также В и Н как наи-
наиболее удобные для проведения рас-
расчётов магнитострикционных преоб-
преобразователей. Подставляя в ур-ния
A) — D) I"ауг1В, можно получить
аналогичные четыре системы, запи-
записанные в переменных В, Н, а и и.
Матричные коэфф. A, d, e, g (дина-
(динамические магнитострикционные, или
«пьезомагнитные», коэфф.) характе-
характеризуют соотношения между магнит-
магнитными и механич. переменными. Все
они являются ф-циями постоянного
подмагничивающего поля Но (индук-
а.-H~7
Ла/Т
Рис. 4. Зависи-
Зависимость динамиче-
динамической магнитост-
рикционной по-
постоянной а от
подмагничиваю-
щей индукции
В„: 1 — для Ш
и 2 — для фер-
феррита Ni.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
ции Во). Индекс t в A) — D) обозна-
обозначает транспонированную матрицу,
т. е. такую, в к-рой произведена за-
замена строк на столбцы.
Помимо перечисленных коэфф.,
в расчётах магнитострикционных пре-
преобразователей применяют «магнито-
стрикционную постоянную» а и «по-
«постоянную чувствительности» Л:
. / и \а I В \н , ,с.
1"h"J ^ \~а~) ( '
В первом приближении (без учёта
магнитомеханич. гистерезиса) зави-
зависимости динамич. магнитострикци-
магнитострикционных коэфф. от Но, Во и /„ (рис. 4)
можно получить дифференцированием
соответствующих статических кривых
М., т. е.
а{Н)х=0 и т. д.'
Для поперечно-изотропных поля-
поляризованных магнитоупругих сред
(напр., для поликристаллич. метал-
металлов, сплавов и ферритов) тензоры всех
динамич. магнитострикционных ко-
коэфф. в кристаллографич. системе ко-
координат имеют не более пяти неза-
независимых ненулевых компонент и
МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ
203
в самом общем виде могут быть пред-
представлены матрицей типа:
/0 0 0 аи а15 0\
0 0 0 а1Ъ -аи 0 . F)
\ап а31 a3i 0 0 0/
Наиболее важен для практики ко-
эфф. а33, характеризующий продоль-
продольные колебания стержней и радиаль-
но-симметричные колебания колец, а
также а15, характеризующий крутиль-
крутильные колебания аксиально-поляризо-
аксиально-поляризованных тонких трубок.
Динамич. магнитострикциоиные ко-
эфф. не являются вполне независи-
независимыми. В частности, для случаев про-
продольных и радиально-симметричных
колебаний они связаны следующими
выражениями:
g33 = h
Л33 = ~^Г = **уи *** —^3 > (?)
где р,и — относительная магнитная
проницаемость, Е(Е1, Ев, Ен) ~ мо-
модуль Юнга. Соотношения между ха и
хи, 2?н и ?в выводятся с помощью
представления о продольном коэфф.
магнитомеханич. связи А3 (см. Коэф-
Коэффициент электромеханической связи):
~Е~! IF ** ~ё^~ ^ "м7 ~ ~ 33
(где К33тцдцаУЕ?). Другим типам
магнитострикционных колебаний со-
соответствуют другие коэфф. магнито-
а-Ю~7 Па/Г Ри". 5. Зависимость динами-
3,0
2,0
1.0
ческой магнитострикционной
постоянной а от амплитуды
переменной индукции Вт при
напряжённости подмагничи-
вающего поля
Но = 0,8 кА/м:
1 — для Ni и
2 — для фер-
феррита Ni.
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Вт, Т
механич. связи, напр, сдвиговый К1Ъ
(иногда нижние индексы у коэфф.
магнитомеханич. связи опускаются,
в этом случае подразумевается, что
К = К»).
С увеличением амплитуд перемен-
переменных величин, входящих в ур-ния
A) — D), пропорциональность между
ними нарушается (магнитомеханич.
нелинейность). Это означает, что в
соответствующих разложениях тер-
модинамич. ф-ций следует учитывать
члены высших порядков. Магнито-
Магнитомеханич. нелинейность можно тракто-
трактовать как зависимость динамич. маг-
магнитострикционных коэфф. от амплитуд
магнитных и механич. переменных,
напр, а от Вт (рис. 5). Если Вт одного
порядка или больше, чем Во, то магни-
тострикционные колебания существен-
существенно нелинейны: наряду с колебания-
колебаниями на ооновной частоте возбуждаю-
возбуждающей индукции появляются их более
высокие гармонич. составляющие. На-
Наконец, при Во = 0, Втф0 реализу-
реализуются только колебания на двойной
частоте возбуждающего сигнала и
высших чётных гармониках. При этом
эффективность электромеханич. пре-
преобразования резко падает.
Выражения A) — D), G), (8) опи-
описывают квазистатич. магнитострик-
ционные колебания без учёта потерь,
а также пространственной неоднород-
неоднородности распределения механич. и маг-
магнитных переменных. В реальных слу-
случаях ур-ния состояния A) — D) сле-
следует решать совместно с дифференци-
дифференциальными ур-ниями движения, а вхо-
входящие в них параметры полагать ком-
комплексными.
Лит.: Белов К. П., Упругие, тепло-
тепловые и электрические явления в ферромаг-
ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957; А к у л о в Н. С,
Ферромагнетизм, М.—Л., 1939; В а н-
дер-Бургт К., «Проблемы совр. фи-
физики», 1954, в. 6, с. 126—65; В о н с о в-
ский С. В., Магнетизм, М., 1971; Физи-
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер.
с англ., т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 3; Г а н е-
ва Л. И,, Голямина И. П., «Акуст.
ж.», 1974, т. 20, № 3, с. 378—85; С ы р к и н
Л. Н., Пьезомагнитная керамика, Л., 1972.
Л. Н. Сыркин.
МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ —
волны, возникающие в магнитоупоря-
доченных кристаллах — ферро- и ан-
антиферромагнетиках — в результате
связи между магнитными и упругими
параметрами вещества. Упругие вол-
волны, т. е. колебания ионов в кристал-
лич. решётке относительно положе-
положения равновесия, в магнитоупорядо-
ченных кристаллах сопровождаются
колебаниями спинов, а следовательно,
и колебаниями магнитных моментов;
в свою очередь колебания спинов,
т. е. спиновые волны, вызывают смеще-
смещение ионов. Таким образом, в М. в.
изменение магнитных параметров со-
состояния (напр., намагниченности) свя-
связано с изменением упругих парамет-
параметров состояния кристалла (деформации,
механич. напряжения). Возникнове-
Возникновение М. в. является одним из проявле-
204
МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ
нии магнитоупругого взаимодействия,
к-рое можно характеризовать магни-
тоупругой энергией единицы объёма
вещества:
ишу = - bihlm4ikMiMm, A)
где аи — тензор механич. напряже-
напряжений, Mi и Мт — компоненты вектора
намагниченности, b^im — тензор маг-
нитоупругих констант, определяющий
интенсивность магнитоупругого взаи-
взаимодействия. В М. в. переменной ве-
величиной является как компонента
механич. напряжения а (или компо-
компонента деформации), так и компонента
намагниченности М. Такая смешан-
смешанная волна возникает в той области
частот, где длина упругой волны
оказывается близкой по величине
к длине спиновой волны. Дисперси-
Дисперсионные соотношения (рис. 1), т. е.
Рис. 1. Зависи-
Зависимость частоты спи-
спиновой волны 1 и
упругих волн по-
поперечной 2 и про-
продольной 3 ОТ ВОЛ-
ВОЛНОВОГО вектора.
зависимость частоты волны ш от ве-
величины волнового вектора к = 2тсД
(где X — длина волны), в простей-
простейшем случае для спиновой волны име-
имеют вид: шсп = у(Н -f afc2Cn), а для
продольных и поперечных упругих
волн Шзв = ?7&зв и шзв = ?( &зв. гДе
у = elmca — гиромагнитное отноше-
отношение для электрона, е и т — его за-
заряд и масса, с0 — скорость света
в вакууме, Н — напряжённость по-
постоянного магнитного поля, а — по-
постоянная, связанная с обменной по-
постоянной и с величиной угла между
направлениями И и к, с\ и ct — ско-
скорость распространения продольной и
поперечной упругих волн соответ-
соответственно. Для волн, у к-рых значения
со и к лежат далеко от области пересе-
пересечения дисперсионных кривых, взаи-
взаимодействие пренебрежимо мало и спи-
спиновые и упругие волны распростра-
распространяются независимо друг от друга.
Если же частоты спиновых и звуко-
звуковых волн при заданном к близки друг
другу, то магнитоупругое взаимодей-
взаимодействие приводит к тому, что в области
частот ш3в ^ исп возникает связан-
связанная М. в. В области пересечения дис-
дисперсионных кривых обычно наблю-
наблюдаются сильное поглощение и диспер-
дисперсия скорости звука, что обусловлено
переходом энергии звуковой волны
в энергию М. в., а затем в энергию
спиновой волны.
Условие равенства частот упругой
и спиновой волн имеет вид:
ск0 = у (Н + aft);
ш0 и к0 — значения частоты и волно-
волнового вектора, при к-рых происходит
пересечение дисперсионных кривых
(рис. 2). При к<^ к0 кривая 1 соответ-
соответствует звуковой волне, распростра-
распространяющейся со скоростью сзв, а кривая
2 — чисто спиновой волне со скоро-
скоростью ссп. При к > к0 кривая 1 соот-
соответствует спиновой волне, а кривая
2 — упругой. В области пересечения
кривых, т. е. при ш ^ ш0 и к s& к0, су-
существуют две связанные магнитоупру-
гие волны, у к-рых связь частоты
с волновым вектором выражается
ур-нием:
(»'-.>ь)(.±«а)±Ш^=0, B)
Где ш3в и Шсп определяются приве-
приведёнными выше выражениями, р —
плотность вещества, Мо — равновес-
равновесное значение намагниченности, Ъ —
константа магнитоупругой связи. Ес-
Если Ь = 0, т. е. магнитоупругое взаимо-
взаимодействие отсутствует, то ур-ние B)
даёт два положительных решения для
частоты ш = о)зв и со = <оСП! что
соответствует невозмущённым упру-
упругим и спиновым волнам. При 6^0 про-
происходит расщепление дисперсионных
кривых на две ветви, т. е. существуют
две М. в. с частотами <о = ш0 + До
(кривая 2 на рис. 2) и ш = ш0 — Дш
(кривая 1 на рис. 2), где со0 =ск0,
Дм =~l/Yfe2tt>o/c2p-Mo2 (масштаб кривых
на рис. 2 искажён: обычно До С ш0).
Взаимодействие спиновой волны воз-
возможно как с продольной, так и с по-
поперечными упругими волнами, поэто-
поэтому на дисперсионных кривых возмож-
возможно существование нескольких обла-
областей возникновения М. в.
М. в. могут использоваться для пре-
преобразования звуковой волны в спино-
спиновую и обратно. В таких материалах,
как, напр., монокристаллы ферритов-
гранатов, на частотах ~ 109 Гц го-
МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ
205
раздо легче возбудить и принять спи-
спиновую волну, чем звуковую. Если
образец феррита поместить в СВЧ-ре-
зонатор и возбудить в нём спиновую
волну, то при наличии постоянного
магнитного поля, неоднородного по
пространству, по образцу побежит
спиновая волна с переменным кса.
При уменьшении напряжённости поля
Н в направлении распространения
спиновой волны и при фиксирован-
фиксированном значении <о, задаваемом резона-
резонатором, величина кси в соответствии
с ур-нием B) по мере распространения
Рис. 2. Дисперсионные кривые спиновой
1 и упругой поперечной 2 волны в области
взаимодействия.
растёт. Если при этом возрастании
ксп достигнет значения кзв = ш/с; или
кзв = <o/cj, то вследствие магнито-
упругого взаимодействия спиновая
волна превратится в магнитоупругую,
а при дальнейшем увеличении к —
в чисто упругую волну. Дальнейшее
уменьшение Н не влияет на характер
распространения упругой волны. При
таком преобразовании скорость рас-
распространения волны изменяется: ско-
скорость упругой волны гораздо больше,
чем скорость спиновой. Если с к.-л.
точки пространства Н начинает воз-
возрастать и, следовательно, волновое
число для спиновых волн уменьшается,
то можно получить обратное преобра-
преобразование звуковой волны в спиновую.
Т. о., в образце с неоднородным маг-
магнитным полем можно преобразовы-
преобразовывать упругие и спиновые волны друг
в друга и тем самым изменять ско-
скорость распространения и время про-
прохождения сигнала по образцу. Меняя
характер поля, можно получать раз-
разное время распространения волн, что
важно для создания линий задержки
с переменным временем задержки.
Взаимодействие спиновых и упру-
упругих волн осуществляется на высоких
УЗ-вых и гиперзвуковых частотах,
поскольку область существования
спиновых волн ограничена снизу ча-
частотами ~ 108 Гц. Верхняя граница
для М. в. также определяется возмож-
возможностью получения спиновых волн и
составляет —5-1010 Гц.
Наилучшим материалом для осуще-
осуществления взаимодействия упругих и
спиновых волн являются ферриты,
в частности монокристаллы иттриевого
феррита-граната (ИФГ). Монокристал-
Монокристаллы ИФГ, выращенные из расплава,
обладают очень низкими акустич. по-
потерями (на порядок меньшими, чем
в монокристаллах кварца или любого
другого вещества в диапазоне 10—
1000 МГц), а также малыми ферромаг-
ферромагнитными потерями. На монокристал-
монокристаллах ИФГ изготовляют линии задерж-
задержки для сверхвысоких частот, в к-рых
стержень из ИФГ используется одно-
одновременно как преобразователь и как
задерживающая среда. При этом вре-
время задержки можно изменять. Напр.,
линия задержки на ИФГ работает
в диапазоне частот 0,5—1,0 ГГц,
время задержки изменяется от 1 до
10 мкс, потери составляют 37 дБ.
Используя усиление М. в. вследствие
нелинейности магнитоупругого взаи-
взаимодействия, можно добиться значи-
значительного снижения потерь.
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 3, ч. Б, М., 1968,
гл. 4; т. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 5; М о н о с о в
Я. А., Нелинейный ферромагнитный ре-
резонанс, М., 1971; Ахиезер А. И.,
Барьяхтар В. Г., Пелет мин-
минский С. В., Спиновые волны, М., 1967;
Т а к е р Д ж., Рэмптон В., Гипер-
Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ.,
М., 1975. А. Л. Полякова.
МАГНОН — квазичастица, пред-
представляющая собой квантовый аналог
спиновой волны в магнитоупорядочен-
ных средах.
МАГНОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМО-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — взаимодействие спи-
спиновых и упругих волн в твёрдом теле,
см. Магнитоупругие волны.
МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮ-
БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ — рассеяние свето-
световой волны на флуктуациях плотности
в жидкостях или газах или на колеба-
колебаниях кристаллической решётки в твёр-
твёрдом теле, для к-рого характерен сдвиг
частоты рассеянного света относитель-
относительно частоты падающего. В любом ве-
веществе — газе, жидкости или твёр-
206
МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ
дом теле — при темп-ре, отличной от
абсолютного нуля, имеются флуктуа-
флуктуации плотности, обусловленные тепло-
тепловыми колебаниями атомов и молекул.
Их можно представить в виде набора
упругих плоских волн со случайными
фазами и амплитудами (т. н. дебаев-
ских волн), распространяющихся во
всех направлениях внутри образца.
При падении световой волны от внеш-
внешнего источника на вещество происхо-
происходит взаимодействие света с такими
упругими волнами. Каждая из этих
волн создаёт периодич. решётку, на
к-рой и происходит дифракция света
(рис. 1), это явление аналогично диф-
дифракции света
на ультразву-
ультразвуке. Вследст-
Рис. 1. Схема
рассеяния све-
световой волны с
волновым векто-
вектором fco на зву-
звуковой волне с
волновым векто-
вектором К. Тон-
Тонкими паралле-
параллельными линиями показаны волновые фрон-
фронты звуковой волны, к,—волновой вектор
рассеянной световой волны.
вие флуктуации плотность вещества в
каждой точке определяется ф-лой:
р = р0 + Др, где р0 — невозму-
невозмущённое значение плотности, а Др —
её изменение; в выражении для Др
можно выделить две волны, распро-
распространяющиеся в противоположных на-
направлениях:
Др = Ае'<ш-К*>+ A*e-'<at-KX\
Здесь Й — круговая частота и к —
волновой вектор упругой волны свя-
связаны между собой соотношением:
Q = Ксзв, а сзв— скорость звука
(в твёрдом теле может фигурировать
скорость как продольной, так и попе-
поперечной упругой волны).
Поскольку диэлектрич. проницае-
проницаемость вещества является ф-цией плот-
плотности и темп-ры, то из-за флуктуа-
флуктуации плотности её изменение при по-
постоянной темп-ре равно:
вследствие этого возникает периодич.
изменение показателя преломления
п = ~1/е с пространственным перио-
периодом 2л/К по оси х. Если падающая на
элемент объёма среды под произволь-
произвольным углом к оси х световая волна име-
имеет вид
Еое1
+ Е*е~ * (
(где too — её частота, а к0 — волно-
волновой вектор), то в результате ее взаи-
взаимодействия с периодич. решёткой,
обусловленной изменением показате-
показателя преломления п, возникает рассеян-
рассеянная волна
Ер =
kiX) -f E*e~
с частотой о)! и волновым вектором к1.
Для световых волн в веществе спра-
справедливы соотношения:
»о = k-f, °>i = — . h = n ^2.,
где А,о — длина волны падающего све-
света в вакууме, а с0 — скорость света
в вакууме. При рассеянии должно вы-
выполняться условие:
fex- к„ ~ К = О,
соответствующее закону сохранения
импульса при взаимодействии волн
(рис. 2). Частота рассеянной волны
в силу закона сохранения энергии
равна: wi = соо ± Q. Т. о., при рас-
рассеянии света на звуковой волне с ча-
частотой Q возникают две волны: волна,
частота к-рой уменьшается при рас-
рассеянии (tt>i = <о0 — О), т. н. сток-
сова компонента М.— Б. р., и вол-
волна, частота к-рой увеличивается
(а>1 = соо + &), т- н. антисток-
сова компонента. Используя пред-
представления квантовой механики, мож-
можно сказать, что при стоксовом рассея-
рассеянии происходит испускание фонона,
Рис. 2. Векторная диаг-
диаграмма, иллюстрирующая
закон сохранения импуль-
импульса при рассеянии света на
звуке.
а при антистоксовом — поглощение.
В общем случае в спектр рассеянной
волны, помимо компонент с частота-
частотами, смещёнными относительно а>0 на
величину ± Q (компонент Мандель-
Мандельштама — Бриллюэна), входит ещё
центральная компонента с несмещён-
несмещённой частотой (о01 соответствующая рас-
рассеянию на флуктуациях энтропии.
Поскольку обычно Q С Шо, частота
рассеянной волны мало отличается от
МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ
207
частоты падающей, и, следовательно,
абсолютная величина вектора к0 при
рассеянии меняется незначительно,
а происходит лишь его поворот на угол
рассеяния 8. Изменением абсолютной
величины вектора Ао обычно пренебре-
пренебрегают и считают |fco| = Ife^ = -?- п.
Учитывая это, можно получить для
волнового вектора упругой волны,
ответственной за рассеяние под углом
6, выражение:
„ 2яп . 6
* = Т78ШТ
или для её длины волны Л и частоты
Q соотношения:
ft eft
геЛ sin ^- = Хо; Q = пш0 ~ sin -^-.
Т. о., световая волна, падающая на
элемент объёма вещества, приводит
к появлению целого набора рассеян-
рассеянных волн, причём под каждым углом
8 рассеивается световая волна, сдви-
сдвинутая по частоте относительно частоты
падающей на величину Q, зависящую
от угла 8. Варьируя угол наблюде-
наблюдения рассеянного света 8, можно на-
наблюдать рассеяние на звуковых вол-
волнах с разными частотами, к-рые могут
изменяться от 0 Гц при 8 = 0 до
максимального значения, равного:
&тах = пщ ~ при 6 = 180° или,
как говорят, при рассеянии назад.
В действительности рассеяние на ма-
малые углы наблюдать очень трудно
иэ-за засветки исходным излучением,
мощность к-рого всегда гораздо боль-
больше, чем мощность рассеянного. Ре-
Реально наблюдаемое рассеяние проис-
происходит на упругих волнах гиперзву-
гиперзвукового диапазона (см. Гиперзвук). Так,
напр., при освещении рассеивающего
объёма с водой (сзв = 1,5-105 см/с,
п = 1,5) синей линией ртутного спект-
спектра (Яо = 0, 4358 мкм) и при наблюде-
наблюдении под углом 8 = 90° величина
Л = 2,3-105 см, а частота упругой
волны / = ?2/2я = 5-Ю9 Гц. При на-
наблюдении под углом Э = 180° частота
звуковой волны, ответственной за
рассеяние, / = 10,5-109 Гц. Фикси-
Фиксируя угол рассеяния, т. е. поставив
регистрирующую аппаратуру под оп-
определённым углом к направлению
падающего света, по положению спек-
спектральных компонент М.— Б. р. мож-
можно определить скорость звука. Изме-
Измерение сдвига частоты позволило впер-
впервые определить скорость гиперзвуко-
гиперзвуковых волн и обнаружить дисперсию
скорости в целом ряде жидкостей.
Использование обычных источников
света позволяет измерять только по-
положение спектральных линий М.—
Б. р. Применение лазеров в каче-
качестве источников света значительно
расширило возможности М.— Б. р.
как метода исследования вещества,
а именно стало возможным измерять
ширину линий М.— Б. р., к-рые опре-
определяются поглощением гиперзвука.
Полуширина линии М.— Б. р. (рис. 3)
Шд-SJ top
Рис. 3. Структура спектра световой вол-
волны: центральная линия — падающий
свет, боковые линии — стоксова и анти-
стоксова компоненты рассеянной волны.
связана с коэфф. поглощения звука а
соотношением: 6Q = а-сзв. В твёрдом
теле, кроме продольной волны, име-
имеется ещё две сдвиговых (поперечных)
волны, на к-рых также может проис-
происходить рассеяние света. Соотношения
для М.— Б. р. на поперечных волнах
те же, что и для рассеяния на продоль-
продольных. Поскольку скорость поперечных
волн всегда меньше, чем скорость
продольных, рассеянные компонен-
компоненты, связанные с поперечными волна-
волнами, имеют меньший сдвиг по частоте
относительно центральной линии, чем
компоненты, связанные с рассеянием
на продольных волнах. В этом слу-
случае могут наблюдаться не 2, а 4 или
6 компонент Мандельштама — Брил-
люэна. Рассеяние на поперечных вол-
волнах может наблюдаться также в очень
вязких жидкостях.
Наблюдать М.— Б. р. можно с по-
помощью установки (рис. 4), где свет
от источника, напр, от рубинового
лазера 1, проходит через фокусирую-
фокусирующую оптич. систему 2 и полупрозрач-
полупрозрачное зеркало 5, после чего попадает
в кювету с жидкостью, рассеяние
в к-рой наблюдают, или же на кристалл
исследуемого вещества 4. При наблю-
наблюдении рассеяния назад рассеянный
208
МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ
свет, попавший на зеркало 3, направ-
направляется на интерферометр Фабри —
Перо 5 и фотоумножитель 6, кото-
которые позволяют исследовать рассеян-
рассеянный свет.
Использование лазеров привело
также к открытию нового явления —
вынужденного рассея-
рассеяния Мандельштама—
Бриллюэна. При достаточно
больших мощностях светового им-
импульса лазера, когда напряжённость
электрич. поля Е в световой волне
оказывается — Ю4 — 108 В/см, это по-
поле может оказать существенное влия-
Рис. 4. Схема установки для наблюдения
рассеяния Мандельштама — Бриллюэна:
1 — источник света; 2 — фокусирующая
оптическая система; 3 — полупрозрачное
зеркало; 4 — исследуемый кристалл;
5 — интерферометр Фабри — Перо; в —
фотоумножитель.
ние на саму рассеивающую среду,
т. е. на ту упругую волну, на к-рой
происходит рассеяние. Основой такого
взаимодействия является эффект эле-
ктрострикции. Силы, обусловленные
электрострикцией, создают в среде
дополнительные возмущения, к-рые
при определённых условиях обеспе-
обеспечивают непрерывную подкачку энер-
энергии в упругую волну. Эти силы рав-
равны:
а ур-ние для звукового давления
в среде в этом случае имеет вид:
Квадратичный член в правой части
этого ур-ния, пропорциональный
произведению электрич. поля в падаю-
падающей и рассеянной волнах ЕпЕр, ха-
характеризует источник, обеспечиваю-
обеспечивающий возникновение звуковой волны
с частотой Q = ш0 — ш!. В ур-ния
Максвелла, описывающие распростра-
распространение света в среде, войдёт нелиней-
нелинейный член вида: j^- E, где изменение
диэлектрической проницаемости Дв
является ф-цией изменения давления
(или плотности). Совместное решение
этих уравнений показывает, что ес-
если амплитуда световой волны превы-
превышает некоторое значение, наз. поро-
пороговым, то та звуковая волна, к-рая
вызывает эффект обычного М.— Б. р.
(или, как говорят, теплового рассея-
рассеяния), начинает усиливаться под дей-
действием света. Это приводит также
к увеличению интенсивности рассеян-
рассеянного света, к-рая может стать величи-
величиной такого же порядка, как и интен-
интенсивность первичной падающей свето-
световой волны. Значение пороговой ин-
интенсивности света, при к-рой начи-
начинается нарастание звука, тем меньше,
чем меньше коэфф. поглощения звука.
В процессе вынужденного М.— Б. р.
возникает весьма интенсивный гипер-
гиперзвук, верхняя граница частоты к-рого
—1011 Гц для твёрдого тела и ~109 —
1010 Гц для жидкостей и газов.
Получение упругих волн столь высо-
высокой частоты в жидкостях и газах дру-
другими способами пока невозможно,
а при генерации таких частот в твёр-
твёрдом теле (в монокристаллах кварца
и сапфира при темп-ре жидкого гелия)
обычными способами получается ги-
гиперзвук весьма малой мощности. Т. о.,
вынужденное М.— Б. р. является
методом возбуждения гиперзвука и
его изучения. Однако частоты гипер-
гиперзвука, излучаемого таким методом,
лежат в довольно узком диапазоне.
При фокусировке гигантского им-
импульса рубинового лазера мощно-
мощностью — 100—200 МВт внутри образца
вещества, рассеяние на к-ром наблю-
наблюдается, можно получить интенсив-
интенсивность света ~106 МВт/см2, что соот-
соответствует напряжённости электрич.
поля световой волны Е ~ 107 В/см.
Этого достаточно для проявления не-
нелинейных явлений и наблюдения вы-
вынужденного М.— Б. р. При фокуси-
фокусировке лазерного излучения сферич.
линзой наибольшую интенсивность
рассеяния, а следовательно, и наиболь-
наибольшую интенсивность звука можно ожи-
ожидать под углом рассеяния 8 = 180°,
т. к. для этого направления рассея-
рассеяния область нелинейного взаимодейст-
взаимодействия будет наибольшей. Применение
цилиндрич. линзы позволяет полу-
получить интенсивное вынужденное М.—
Б. р. под углом Э = 90°. Интен-
Интенсивность звуковой волны, возникаю-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ И ПАЙКА
209
щей при вынужденном М.—Б. р., не
велика. Так, напр., при интенсивно-
интенсивности падающего света 60 МВт/см2 мак-
максимальная акустич. мощность в плав-
плавленом кварце составляет 1,6-10 Вт.
В кристаллах при низких темп-pax мо-
может быть получена значительно боль-
большая акустич. мощность.
Лит.: Фабелинский И. Л., Мо-
Молекулярное рассеяние света, М., 1965;
Старунов В. С, Фабелинский
И. Л., «Успехи физ. наук», 1969, т. 98,
в. 3, с. 441—91; WalderJ., Tang
С. L., «Phys. Rev. Lett.», 1967, v. 19,
p. 623; Физическая акустика, под ред. У.
Мэзона, пер. с англ., т. 6, М., 1973, гл. 1;
т. 7, М., 1974, гл. 5. А. Л. Полякова.
МАХА ЧИСЛО — в аэродина-
аэродинамике безразмерная величина, рав-
равная отношению скорости v движения
тела в однородной сжимаемой среде к
скорости звука с в той же среде. М. ч.
можно рассматривать как величину,
пропорциональную отношению энер-
энергий направленного и хаотического дви-
движений молекул газа, и в этом смысле
оно характеризует относительную ве-
величину возмущения среды движущим-
движущимся телом, вызывающим направленное
движение газа. М. ч.— один из основ-
основных критериев подобия в аэродинами-
аэродинамике, играющих существенную роль
в ситуациях, когда нельзя пренебре-
пренебрегать сжимаемостью газа.
В акустике под М. ч. пони-
понимается величина Ma = vie, где v —
амплитуда колебательной спорости ча-
частиц в звуковой волне, с — скорость
звука. М. ч. можно также записать
в виде: Ма = р'/р, где р' — избыточ-
избыточная плотность, обусловленная про-
проходящей волной, р — равновесное
значение плотности, откуда следует,
что М. ч. характеризует степень воз-
возмущения среды, вызванного проходя-
проходящей в ней звуковой волной. Посколь-
Поскольку предметом изучения акустики яв-
являются процессы, в к-рых возмущения
среды малы, соответственно малы и
значения М. ч. (Л/а -С 1); это условие
является количественным критерием
применимости акустич. представле-
представлений. Напр., для звука в воздухе, ин-
интенсивность которого соответствует
громкому разговору, М.А ъ 10~6.
К. А. Наугольных.
МЕРТВАЯ ЗОНА — часть объёма
изделия, контролируемого методом
УЗ-вой дефектоскопии, в к-рой невоз-
невозможно обнаружить дефекты. Следует
различать геометрическую и времен-
временную М. з. Геометрическая М,. з.— это
участки изделия, в к-рые из-за слож-
сложной его формы невозможно ввести
УЗ-вые колебания. Временная М. з.—
это подповерхностный слой изделия,
в пределах к-рого эхо-сигналы от
обнаруженных неоднородностей (де-
(дефектов) сливаются с излучаемым (зон-
(зондирующим) импульсом, делая невоз-
невозможной их раздельную регистрацию.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ И ПАЙКА
ультразвуковые — процесс
соединения материалов путём образо-
образования молекулярного контакта жид-
жидкого металла (припоя) с трудно ме-
металлизируемыми материалами под воз-
воздействием УЗ-вых колебаний. М. и п.
имеют общую физич. природу и осу-
осуществляются, когда металлизируемый
объект приводится в соприкосновение
с расплавленным металлом (припоем),
в к-ром имеет место УЗ-вая кавитация.
Ударные волны, возникающие при
захлопывании кавитационных поло-
полостей, давления в к-рых могут дости-
достигать 105 атм, разрушают плёнки окис-
окислов и загрязнений на металлизируе-
металлизируемой поверхности. Чистая поверхность,
защищенная от окисления расплавом,
хорошо им смачивается. Возникающие
при кавитации акустические течения
способствуют этому процессу: они уно-
уносят частицы окислов и загрязнений,
перемешивают расплав в области кон-
контакта. Кроме того, они обусловливают
абразивное действие на металлизируе-
металлизируемую поверхность частиц твёрдой фазы,
если таковые имеются в расплаве
(напр., в области темп-р, когда в рас-
расплаве Sn — Zn ещё находятся кри-
кристаллики Zn). Кавитация способству-
способствует также проникновению расплава
в поры материала (т. н. звукокапил-
лярный эффект), активизирует диф-
диффузионные взаимодействия на грани-
границе фаз.
УЗ-вая металлизация (лужение)
проводится либо с помощью УЗ-вого
паяльника, жало к-рого перемещает-
перемещается в тонком слое расплава, нанесён-
нанесённого на металлизируемую поверх-
поверхность, либо в заполненной расплавом
'УЗ-вой ванне. Кавитация в ванне соз-
создаётся колебаниями диафрагмы, слу-
служащей её дном (рис. 1) и связанной
посредством волновода 2 с магнито-
стрикционным преобразователем 1.
Электрич. мощность установок УЗ-во-
УЗ-вого лужения составляет 0,4—2,5 кВт,
рабочая частота 16—26 кГц.
210
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ И НАЙКА
УЗ-вая пайка производится спе-
специальными паяльниками (рис. 2),
отличающимися от обычных тем, что
их жало совершает колебания с ча-
частотой УЗ и жёстко связано через
волновод-концентра-
волновод-концентратор с магнитострик-
ционным или пьезо-
пьезоэлектрическим пре-
образователем. Ам-
Амплитуда колебаний
Рис. 1. Схема установ-
установки для ультразвуковой
металлизации: 1 — ма-
гнитострикционный
преобразователь; г —
волновод; з — ванна;
4 — нагреватель; 5—
расплавленный металл
(припой); в — метал-
металлизируемая деталь.
жала УЗ-вого паяльника составляет
3—20 мкм, электрич. мощность 0,04—
0,60 кВт. При пайке жало паяльника
вводится в припой, расплавляя его
и одновременно вызывая в расплаве
кавитацию. При конструировании
УЗ-вых ванн и паяльников необходимо
обеспечивать теплоизоляцию преобра-
преобразователей от расплавленного металла.
Технология процессов УЗ-вых М.
и п. отличается от обычной следую-
Иапраяление УЗ-вых колебании
k стержня
Направление деижения
-* паяльника
Рис. 2. Схема действия ультразвукового
паяльника: 1 — стержень паяльника;
2 — расплавленный припой; 3 — место
контакта расплавленного припоя с чистым
металлом; 4 — окисная плёнка; 5 — слой,
представляющий собой смесь припоя
с чистым металлом; в — чистый металл;
7 — затвердевший слой; 8 — остатки
окислов на поверхности припоя.
щими требованиями: необходимо под-
поддержание постоянной темп-ры рас-
расплава (обычно она на 20—50° выше
темп-ры плавления) с точностью ±1%
и постоянной мощности звука, вво-
вводимой в расплав. Последнее дости-
достигается стабилизацией амплитуды
УЗ-вых колебаний, поддержанием по-
постоянных толщины слоя расплава и
расстояния d между жалом паяльника
и металлизируемой поверхностью
(d = 0,1—0,5 мм). Постоянство d осо-
особенно важно при металлизации стекла,
керамики и т. п., поскольку прикосно-
прикосновение колеблющегося жала может их
разрушить. Оптимальный угол накло-
наклона жала паяльника относительно пер-
перпендикуляра к металлизируемой по-
поверхности ~ 35°. Обычное время
УЗ-вой металлизации составляет 5—
10 с, а скорость перемещения УЗ-вого
паяльника 2—10 мм/с. Превышение
оптимального времени металлизации
(пайки) и интенсивности УЗ может
вызвать заметную кавитационную эро-
эрозию металлизируемой поверхности, что
особенно опасно при металлизации
тонкой проволоки и фольги.
Металлич. покрытия (Al, Cu, Ag
и т. д.) широко применяются для за-
защиты материалов и конструкций от
механич. и тепловых воздействий, для
защиты от агрессивных сред. Для
соединения различных материалов их
покрывают многокомпонентными при-
припоями. В ряде случаев такие покры-
покрытия трудно или невозможно создать без
воздействия УЗ. УЗ-вые М. и п. обе-
обеспечивают металлизацию алюминия и
его сплавов, титана, ниобия, керамики
(в т. ч. пъезокерамики), стекла, фер-
ферритов, полимерных материалов; со-
сокращают время пайки, повышают ка-
качество и прочность соединений; позво-
позволяют получить соединения металл —
керамика, металл — стекло, металл —
полимер. Рассмотренные процессы
применяются при М. и п. различных
проволок — выводов к конденсато-
конденсаторам и сопротивлениям, проводов тер-
термопар, при сращивании алюминиевых
кабелей; для припайки клемм и выво-
выводов заземления к проводам и кожу-
кожухам, выполненным из алюминиевых
сплавов; при пайке крепёжных ле-
лепестков и отводов к стеклу, керамике,
ферритам, полупроводниковым мате-
материалам; при исправлении дефектов
в алюминиевых отливках и пайке (ме-
(металлизации) деталей из силуминовых
сплавов, титана, нержавеющей стали,
чугуна; при нанесении защитных по-
покрытий на различные стали.
Лит.: Применение ультразвука в про-
промышленности, М.— София, 1975; Гусе-
Гусева Е. В., Долгов Е. Н., Пуга-
Пугачев С. И., Экспериментальное исследо-
исследование пограничной области при ультразву-
ультразвуковой металлизации титановых и алюми-
МЕТАЛЛЫ
211
ниевых сплавов, в сб.: Новые разработки
в ультразвуковой технике, Л., 1972; и х
же, О природе соединения разнородных
материалов при ультразвуковой металли-
металлизации, «Технология судостроения», 1972,
в. 3. А. М. Мицкевич.
МЕТАЛЛЫ — вещества, обладаю-
обладающие большой тепло- и электропровод-
электропроводностью, хорошей отражательной спо-
способностью (блеск), высокой пластич-
пластичностью (ковкость). Удельная элек-
электропроводность чистых М. при ком-
комнатном темп-ре составляет 106—10*
Ом-см, а сплавов на 1—2 порядка
меньше. Проводимость очень чистых
металлич. монокристаллов при охлаж-
охлаждении до нескольких Кельвинов воз-
возрастает до 105 раз, проводимость
сплавов слабо зависит от темп-ры.
Большинство М. при комнатной
темп-ре имеют малую магнитную вос-
восприимчивость; только железо, ко-
кобальт, никель и их сплавы сильно маг-
магнитны (см. Ферромагнетизм). Пример-
Примерно 3/4 известных химич. элементов —
М. Почти любые комбинации чистых
М. могут образовывать сплавы.
Все М. в твёрдом состоянии — кри-
сталлич. тела. Большинство их кри-
кристаллизуется в форме решёток, отве-
отвечающих плотной упаковке атомов: алю-
алюминий, медь, железо, свинец и др.
имеют кубич. решётку; цинк, кадмий,
магний и др.— гексагональную. М.
можно представить себе как простран-
пространственную решётку из положительных
ионов, наполненную газом подвиж-
подвижных электронов — электронов про-
проводимости. Большая концентрация
электронов (у большинства М.— по-
порядка одпого на атом, т. е. 1022 —
—1023 см~3) отличает М. от диэлектри-
диэлектриков и полупроводников и обусловли-
обусловливает их основные свойства. Электро-
Электропроводность М. обусловливается пе-
переносом заряда электронами прово-
проводимости, теплопроводность — перено-
переносом ими же энергии. Поэтому отноше-
отношение коэффициентов электро- и тепло-
теплопроводности — величина постоянная
(закон Видемана — Франца).
Для М. характерна линейная связь
между элоктрич. током j и нолем Е,
приложенным к металлу: ; = аЕ, где
сг — удельная электропроводность
(закон Ома). Электропроводность чи-
чистых М. растёт линейно с пониже-
понижением темп-ры в области обычных
темн-р; при низких темп-pax рост
электропроводности становится более
крутым. Нек-рые М., как чистые, так
и сплавы, при темп-pax в области 20—
0 К становятся сверхпроводниками:
их электропроводность обращается
в бесконечность. Характерная для
данного М. темп-pa перехода наз. его
критич. темп-рой Тк\ для свинца
Тк = 7,2 К, для олова 3,7 К, для
Nb3Sn 18 К, для Nb3Ge 23 К; темп-ра
перехода понижается при наложении
магнитного поля.
Действие магнитного поля на М.
приводит к ряду гальваномагнитных
эффектов, связанных с искривлением
траекторий электронов. К ним отно-
относятся, напр., уменьшение электро-
электропроводности чистого М., доходящее
до нескольких порядков величины,
появление электрич. поля в направ-
направлении, перпендикулярном протекаю-
протекающему в М. току (эффект Холла).
Действие переменного электромагнит-
электромагнитного поля частоты со на М. возбуж-
возбуждает в нём ток той же частоты.
Однако вследствие инерции элек-
электронов амплитуды поля и тока убы-
убывают в глубь М. Это явление наз.
скин-эффектом. Глубина проникнове-
проникновения электромагнитного поля в М.
(скин-слой) определяется ф-лой:
б = с/2я~1/осо, где с — скорость света
в вакууме.
Электропроводность М. выражает-
выражается ф-лой: а = nel/p, где е — заряд
электрона, п — концентрация элек-
электронов проводимости, I — длина их сво-
свободного пробега, р — импульс. Т. о.,
проводимость определяется величи-
величиной I, т. е. расстоянием, к-рое элек-
электрон пролетает от одного до другого
неупругого столкновения (столкнове-
(столкновения, при к-ром электрон теряет на-
накопленную при движении энергию).
При движении в идеальной кристал-
лич. решётке электрон не испытывал
бы столкновений, в реальном кри-
кристалле их причина — нарушения его
структуры. Такими нарушениями яв-
являются границы кристаллитов, дисло-
дислокации и вакансии, инородные атомы
примесей, а также тепловые колеба-
колебания кристаллической решётки. В очень
чистых монокристаллах, охлаждён-
охлаждённых до нескольких Кельвинов, длина
свободного пробега электрона дости-
достигает величины — мм. Скорость сво-
свободного (теплового) движения элект-
электронов в М. составляет ~108 см/с.
Свойства электронов проводимости
М. удобно характеризовать при по-
помощи представлений о поверхности
212
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Ферми. При равновесном статистич.
распределении электронов по разным
квантовым состояниям они занимают
все возможные состояния, соответст-
соответствующие энергиям от минимальной
(близкой к нулю) до максимальной,
наз. энергией Ферми. Каж-
Каждое состояние электрона изображается
точкой в пространстве импульсов (т. е.
в пространстве, где координатами
служат компоненты импульса). Гео-
метрич. место точек, отвечающих
энергии Ферми, есть поверх-
поверхность Ферми; для щелочных М.
она почти сферична, для поливалент-
поливалентных М.— шшет сложную форму, обыч-
обычно состоит из нескольких частей и мо-
может быть многосвязной, сохраняя,
однако, симметрию кристаллич. ре-
решётки М. Электроны проводимости,
изображаемые точками, лежащими на
поверхности Ферми, изменяют свой
импульс под действием внешних по-
полей — электрического и магнитного;
при этом точка, изображающая элек-
электрон, перемещается по поверхности
Ферми. Движение электронов иод дей-
действием магнитного поля представляется
движением изображающих их точек по
линиям пересечения поверхности Фер-
Ферми плоскостями, перпендикулярными
вектору напряжённости поля. Т. к.
траектории электронов в пространстве
координат подобны орбитам изобра-
изображающих их точек в пространстве им-
пульсои, движение электронов оказы-
оказывается периодическим во времени и
в пространстве. Частота периодич.
движения электронов в магнитном
поле наз. циклотронной ча-
частотой и равняется: соч= еНг1тэс;
т. о., шц определяется напряжённо-
напряжённостью Н г магнитного поля и эффектив-
эффективной массой т3 электрона проводи-
проводимости, к-рая может отличаться от мас-
массы свободного электрона в вакууме
в несколько раз (иногда даже на два
порядка). Поперечник траектории
электрона dx = 2сру/еНг определя-
определяется импульсом электрона ру. Перио-
Периодич. движение электронов в М. реа-
реализуется при большой длине (и вре-
времени) свободного пробега электронов,
т. е. в чистых монокристаллах при
низких темп-pax. Если в М., помещён-
помещённом в магнитное поле, распространя-
распространяется УЗ-вая волна, совпадение или
кратность её временного и пространст-
пространственного периода с соответствующими
периодами для траекторий электро-
электронов приводит к явлениям резонансного
поглощения УЗ электронами прово-
проводимости (см. Взаимодействие ультра-
ультразвука с электронами проводимости).
Лит.: Абрикосов А. А., Введе-
Введение в теорию нормальных металлов, М.,
1972; Займан Дж., Электроны и фоно-
ны, пер. с англ., М., 1962. М. С. Хайкин.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ультразвуком. Различают че-
четыре вида М. о. с помощью УЗ: УЗ-пая
размерная обработка деталей из твер-
твердых и хрупких материалов; резание
труднообрабатываемых материалов
инструментом, к-рому сообщаются
УЗ-вые колебания малой амплитуды;
снятие заусенцев с мелких деталей
абразивной суспензией в УЗ-вой ван-
ванне; обработка вязких материалов
с УЗ-вой очисткой шлифовального
круга.
Размерная обработка. Применение
УЗ-вой размерной обработки позволя-
позволяет вырезать пластины любой формы из
керамики, кварца, полупроводников,
изготавливать отверстия сложного
профиля в твёрдых и хрупких мате-
материалах, а также фасонные детали
из них. По виду технологич. операций
различают УЗ-вые сверление, фрезе-
фрезерование, шлифование, гравирование
и др. Наибольшее распространение
получило УЗ-вое сверление.
При УЗ-вой размерной обработке
материала между инструментом 1
(рис. 1), к-рый является частью коле-
Рие. 1. Схема ультра-
ультразвукового сверления
хрупких материале:
1 — инструмент, совер-
совершающий колебания; 2 —•
обрабатываемая поверх-
поверхность; з — абразив.
багельной системы, и обрабатывае-
обрабатываемой поверхностью 2 подаётся суспен-
суспензия абразива 3. Торец инструмента
совершает колебательное движение
с частотой / = 18—44 кГц и амплиту-
амплитудой А = 10—60 мкм. Обычно исполь-
используются продольные колебания инст-
инструмента, но можно применять и попе-
поперечные или крутильные. Инструмент
является частью колебательной си-
системы, в состав к-рой входит магнитен
стрикционный или пьезокерамический
преобразователь и стержневой вол-
повоя-кстцентратор с коэфф. усиле-
усиления по амплитуде 5—20. Инструмент
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
213
/////////////////////////////У//////
Рис. 2. Вдавливание
абравива при ультра-
ультразвуковом сверлении.
прижимается к обрабатываемой по-
поверхности с постоянной силой Рсг =
= 20—200 Н. Давление прижима
Рпр = PCT/S (где S — площадь тор-
торца инструмента) составляет в сред-
среднем 10">—10е Па. Возникающие в про-
процессе УЗ-вых колебаний переменные
силы Рр имеют импульсный характер
н повторяются с частотой колебания
инструмента. Максимальное значение
силы Pgmax B
\р„ несколько раз
превышает си-
силу прижима
р
f CT.
УЗ-вая раз-
размерная обра-
обработка включает
процессы: удар-
ударное вдавлива-
вдавливание абразивных зёрен с последующим
выкалыванием частиц материала дета-
детали, циркуляцию и смену абразива в ра-
рабочей зоне, обеспечивающую унос вы-
выколотых частиц и доставку свежего
абразива. При этом методе обработки
происходит хрупкое разрушение обра-
обрабатываемых материалов и одновре-
одновременно вязкое разрушение инструмен-
инструмента, изготовленного из малоуглероди-
малоуглеродистой стали. При ударе торца инстру-
инструмента по абразивным зёрнам вершины
зёрен вдавливаются в поверхностные
слои как детали, так и инструмента
(рис. 2). Внедрение частиц абразива
в инструмент приводит только к пла-
стич. деформациям, в то время как
в поверхностном слое обрабатываемой
детали возникает сетка микротрещин,
зарождающихся в наиболее слабых
с точки зрения прочности дефектных
и перенапряжённых местах. Под
влиянием напряжений, создаваемых
последующими ударами торца инстру-
инструмента по абразивным зёрнам, проис-
происходит расширение микротрещин и об-
образование новых трещин — создаётся
зона предразрушения. Выкалывание
частиц происходит в тот момент, ког-
когда максимальные касательные напря-
напряжения в зоне вдавливания превзойдут
сопротивление сдвигу. Вода, несу-
несущая абразив, расширяет микротре-
микротрещины и облегчает образование выко-
выколов, а также доставляет свежий абра-
абразив в зону обработки и охлаждает
инструмент и деталь.
Производительность обработки (объ-
(объём материала, разрушенного в еди-
единицу времени) V зависит от физико-
механич. свойств обрабатываемых ма-
материалов, амплитуды А и частоты /
колебаний инструмента, твёрдости
и зернистости абразива и силы Рст.
Наиболее эффективно обрабатываются
материалы I группы (табл.), имею-
имеющие т. н. критерий хрупкости ixjs 2,
где tx = тр/о"р, тр — сопротивление
материала сдвигу, ор — сопротивле-
сопротивление на отрыв. Производительность
V = /с-'х2> ГДС ^ — постоянный коэф-
коэффициент. На УЗ-вых станках средней
мощности при обработке стекла
с tx = 2,2 V = 3000—5000 мм3/мин.
Производительность V можно харак-
характеризовать ф-лой: V = ()-(АгРщ,I X
Xlp-S, где коэфф. Q зависит от концен-
концентрации абразива в суспензии, твёр-
Группа
мате-
материала
I
II
Ш
Материал
Стекло, ситалл,
кварц, германий,
феррит, минералоке-
рамика, агат и др.
Твёрдые сплавы,
закалённые на высо-
высокую твёрдость, и це-
цементированные ста-
стали, титановые спла-
сплавы, вольфрам
Свинец, мягкие
стали и др.
Критерий
хруп-
хрупкости
К'*<2
Вия
деформа-
деформации
Упругая
Упруго-
пласти-
пластическая
Пласти-
Пластическая
Характер
разрушения
Хрупкий
Хрупкий
после упроч-
упрочнения в ре-
результате мик-
ропластиче-
ропластических деформа-
деформаций
Разрушение
практически
не наблюда-
наблюдается
Область применения
УЗ-вой размерной
обработки
Изготовление дета-
деталей из стекла, квар-
кварца, керамики, мине-
минералов, ферритов. Об-
Обработка полупровод-
полупроводниковых материалов
Изготовление филь-
фильер, штампов, высадоч-
высадочных матриц, деталей
сложной формы из
твёрдых сплавов и
вольфрама
Ультразвуковой
метод не целесообра-
целесообразен
214
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
дости обрабатываемого материала и
абразива, а также от среднего разме-
размера зёрен абразива; параметры q и р
в зависимости от условий изменяются
от 0,5 до 1. Указанная зависимость
справедлива до некоторого предельно-
предельного значения Ри^, к-рое определяется
скоростью смены абразива в рабочем
зазоре и амплитудой колебаний инст-
инструмента, зависящей от добротности
колебательной системы и мощности
преобразователя. Т. о., повышение про-
производительности связано с увеличени-
увеличением скорости смены абразива и с по-
повышением мощности станков. В зави-
зависимости от размера инструмента, пло-
площадь торца к-рого может составлять от
десятых долей мм2 до десятков см2,
мощность ультразвуковых станков ме-
меняется от 100 Вт до 5 кВт. Помимо
ультразвуковой колебательной систе-
системы, станок включает в себя генератор
для питания преобразователя, систе:
мы, обеспечивающие прижим и посту-
поступательное движение (подачу) инстру-
инструмента, координатный стол для за-
закрепления обрабатываемой детали, си-
системы принудительной подачи и сбора
абразивной суспензии. Точность об-
обработки на УЗ-вых станках и шерохо-
шероховатость обрабатываемой поверхности
(средняя высота микронеровностей по-
поверхности) пропорциональны средне-
среднему размеру зёрен абразива. Для обыч-
обычно применяемых абразивных порошков
точность обработки достигает 20 мкм,
а шероховатость поверхности — 7—
8-го класса.
Для повышения производительности
УЗ-вой обработки твёрдых сплавов
и других электропроводящих материа-
материалов A < гх < 2) совмещают УЗ-вую
обработку с электрохимия, процессом,
увеличивающим хрупкость поверх-
поверхности металла путём анодного раст-
растворения. При этом удаётся в 5—10 раз
увеличить производительность и
уменьшить износ инструмента, в 3—
5 раз снизить энергоёмкость процесса.
Причинами, ограничивающими при-
применение УЗ-вой размерной обработки
деталей из хрупких материалов на
существующих УЗ-вых станках, яв-
являются сравнительно небольшая глу-
глубина (h < 30 мм) и площадь обработ-
обработки, большой износ инструмента. Поэ-
Поэтому этот метод наиболее целесообра-
целесообразен при изготовлении отверстий слож-
сложной формы. Обработка глубоких от-
отверстий (h до 500 мм) цилиндрич. и
конич. формы наиболее эффективна
вращающимися алмазными инстру-
инструментами, к-рым сообщаются УЗ-вые
колебания с амплитудой А = 10—
12 мкм. В этом случае отпадает необ-
необходимость подачи абразивной суспен-
суспензии в рабочий зазор, подаётся только
вода, а роль абразивных частиц игра-
играют зёрна алмаза. Это позволяет в не-
несколько раз повысить производитель-
производительность процесса, увеличить точность
обработки, снизить расход алмазов,
в десятки раз увеличить глубину об-
обработки без снижения производитель-
производительности.
Резание металла с наложением
УЗ-вых колебаний на режущий инст-
инструмент. Для улучшения условий ре-
резания жаропрочных, титановых и ту-
тугоплавких сплавов, а также для по-
повышения качества обрабатываемой по-
поверхности режущим инструментам —
резцу, сверлу, метчику и др.— сооб-
сообщают УЗ-вые колебания. Обработка
ведётся чаще всего на обычных метал-
металлорежущих станках, оборудованных
головками с магнитострикционнымн
или пьезокерамич. преобразователя-
преобразователями, к-рые посредством волновода 1
(рис. 3) соединены с резцом 2 (или дру-
Рис. 3. Схема реза-
резания металла с нало-
наложением ультразвуко-
ультразвуковых колебаний на
режущий инструмент:
1 —¦ волновод, сооб-
сообщающий резцу уль-
ультразвуковые колеба-
колебания; г — резец; з —
стружка; 4 — движу-
движущаяся деталь.
гим режущим инструментом), срезаю-
срезающим стружку 3. Работа при резании
металла затрачивается гл. обр. на
пластическую деформацию срезаемого
слоя и на внешнее трение на рабочих
гранях инструмента. УЗ-вые колеба-
колебания, сообщаемые режущему инстру-
инструменту, могут оказывать значительное
влияние на обе основные составляю-
составляющие работы резания: создаваемые ими
знакопеременные напряжения уско-
ускоряют движение и образование дисло-
дислокаций, обеспечивая возникновение
пластич. деформации при более низ-
низких напряжениях, а циклич. переме-
перемещения контактных поверхностей вы-
вызывают периодич. поворот векторов
сил трения на рабочих гранях инстру-
инструмента, значительно уменьшающий со-
сопротивление сходу стружки и облег-
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
215
чающий процесс стружкообразования.
Кроме того, при резании вязких ма-
материалов на рабочей поверхности инст-
инструмента часто возникает торможение,
или «застой» металла (наз. наростом),
и 'наблюдается своеобразное трение
покоя, сопровождающееся большими
силами трения и ухудшением качества
поверхности. УЗ-вые колебания при-
приводят к устранению «застоя» металла
на инструменте, к уменьшению сил
трения и к улучшению качества по-
поверхности.
Контакт инструмента и заготовки
имеет место лишь на отдельных микро-
микронеровностях их поверхностей. При
УЗ-вых колебаниях происходит на-
нагрев микровыступов инструмента и за-
заготовки за счёт потерь акустич. энер-
энергии, и при определённых условиях
может возникнуть местное размягче-
размягчение поверхностей и изменение харак-
характера трения, что также приводит
к уменьшению затрачиваемой работы.
УЗ-вые колебания, сообщаемые ре-
режущим инструментам, вызывают изме-
изменение кинематики резания: периоди-
периодически изменяются величина и направ-
направление вектора действительной скоро-
скорости резания Vp= v-j-2KfAcos2nft (где
v — скорость перемещения заготов-
заготовки, А и /— амплитуда и частота коле-
колебаний инструмента), кинематич. углы
инструмента, толщина срезаемого слоя
и др. Эффект действия УЗ на процесс
резания зависит от величин А и /,
от отношения колебательной скорости
2л jA к скорости v, от сечения срезае-
срезаемого слоя и от физико-механич. и теп-
лофизич. свойств обрабатываемого и
инструментального материалов. Наи-
Наибольший эффект в направлении улуч-
улучшения качества обрабатываемой по-
поверхности, уменьшения сил резания
и повышения точности обработки до-
достигается при возбуждении танген-
тангенциальных УЗ-вых колебаний малой
амплитуды и резании с небольшими
скоростями, малыми значениями пода-
подачи детали и глубины её резания.
Наиболее широкое применение УЗ
получил при обработке внутренних
резьб малого и среднего диаметра в жа-
жаропрочных и титановых сплавах. При
сообщении режущему инструменту —
метчику — УЗ-вых колебаний с / =
= 18—44 кГц и А = 3—5 мкм кру-
крутящий момент и осевая сила снижа-
снижаются на 25—30%, улучшается качест-
качество резьбы. Применение УЗ позволяет
повысить производительность резьбо-
нарезания в 2—3 раза и стойкость
инструмента в 1,5—2 раза.
Снятие заусенцев. Для снятия зау-
заусенцев с мелких деталей применяет-
применяется кавитационно-абразивная эрозия.
Плоские обрабатываемые детали с мас-
массой не более 10—20 г помещают
в УЗ-вую ванну 1 (рис. 4) с суспен-
Рис. 4. Схема установки
дли ультразвукового снятия
заусенцев: 1 — ванна с де-
деталями; 2 — преобразова-
преобразователь; Va И Vn — СКОРОСТИ
перемещения абразива и
детали соответственно.
зией, состоящей из жидкой основы и
взвешенных в ней абразивных зёрен.
Преобразователь 2 возбуждает в сус-
суспензии интенсивные УЗ-вые колеба-
колебания, под воздействием к-рых возникает
кавитациокная эрозия. Эрозионное
действие УЗ возрастает, если размер
абразивных зёрен соизмерим с радиу-
радиусом действия ударных волн, возникаю-
возникающих при захлопывании кавитационных
полостей. Кроме кавитационного раз-
разрушения заусенцев, происходит также
обработка их абразивными зёрнами
и перемешивание под действием аку-
акустических течений. Этот процесс су-
существенно интенсифицируется, если
в УЗ-вой ванне создать избыточное
статич. давление Ро = 0,4—0,6 МПа
при условии /У ра = 0,4—0,5, где
ра — амплитудное значение звуково-
звукового давления.
Главное преимущество кавитацион-
но-абразивной эрозии при снятии за-
заусенцев — сохранение формы и точ-
точных размеров деталей. Последние
в процессе обработки должны нахо-
находиться во взвешенном состоянии и
в постоянном движении. Способность
деталей под действием акустич. тече-
течений удерживаться во взвешенном со-
состоянии определяется отношением
массы детали к площади её поверх-
поверхности, к-рое не должно быть более
5-Ю г/мм2. Акустич. течения сооб-
сообщают зёрнам абразива неодинаковые
скорости из-за различия их плотно-
плотностей и размеров, в результате чего
происходит их взаимное перемещение.
Снятие заусенцев обычно проводят
в УЗ-вых ваннах, работающих при
повышенном статич. давлении на ча-
216
МИКРОСКОП АКУСТИЧЕСКИЙ
стотах 18—20 кГц с удельной мощно-
мощностью УЗ в несколько Вт/см2.
Обработка поверхности металла
с УЗ-вой очисткой шлифовального
круга. При шлифовании вязких ме-
металлов частицы металла налипают на
поверхности круга, что снижает каче-
качество обработки. УЗ-вая очистка круга
в процессе шлифования позволяет
этого избежать. В жидкости, омываю-
омывающей круг, возбуждаются интенсивные
УЗ-вые колебания (рис. 5) с амплиту-
амплитудой 10—30 мкм, вызывающие кавита-
Шидкость
/777777777/ У77777777
Рис. 5. Схема очи-
очистки шлифовального
круга 1; 2 — преоб-
преобразователь; 3 — вол-
волновод с отверстиями
для подачи охлаж-
охлаждающей жидкости;
х = 0,1 — 0,2 мм —
зазор между торцом
волновода и кругом;
V* — скорость круга.
цию в узком зазоре между торцом вол-
волновода 3 и кругом 1. Возникающая
кавитационная эрозия и акустич. те-
течения очищают поверхность круга от
налипшего металла, в результате чего
вершины абразивных зёрен более про-
продолжительное время остаются остры-
острыми, снижаются силы резания, повыша-
повышается точность обработки, уменьшаются
степень и глубина наклёпа. Стойкость
кругов возрастает в 2—3,5 раза,
удельная производительность — в 2
раза, качество поверхности улучша-
улучшается на один класс.
Лит.: Казанцев В. Ф., Ультра-
Ультразвуковое резание, в кн.: Физические осно-
основы ультразвуковой технологии, М., 1970;
Марков А. И., Ультразвуковое реза-
резание труднообрабатываемых материалов,
2 изд., М., 1968; Применение ультразвука
в промышленности, М.— София, 1975.
А. И. Марков.
МЕХАНИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕ-
СОПРОТИВЛЕНИЕ — см. Импеданс акустический.
МИКРОСКОП АКУСТИЧЕСКИЙ—
устройство, позволяющее получить
увеличенное изображение предметов
при помощи УЗ высокой частоты.
В М. а. используются УЗ-вые волны
высокочастотного диапазона, вплоть
до гиперзвука. Действие М. а. основа-
основано на том, что рассеянные микрообъек-
микрообъектом УЗ-вые волны создают акустич.
изображение, к-рое затем преобразу-
преобразуется в увеличенное видимое изображе-
изображение. При «освещении» объекта пучком
УЗ в результате рассеяния звука на не-
однородностях волнового сопротивле-
сопротивления и коэфф. поглощения звука воз-
возникает неоднородное акустич. поле
(или звуковая тень), к-рое и представ-
представляет собой акустич. изображение объ-
объекта. Существует несколько схем по-
построения М. а., различающихся в ос-
основном принципами преобразования
акустич. изображения в видимое.
Наибольшее распространение полу-
получил М. а., основанный на оптич.
считывании поверхностного рельефа,
и линзовый М. а.
В М. а., основанном на оптич. счи-
считывании поверхностного рельефа
(рис. 1), исследуемый объект^ поме-
помещается в жидкость, к-рая граничит
с прозрачной пластмассовой пластин-
пластинкой 2. Соприкасающаяся с жидкостью
поверхность пластинки покрыта полу-
полупрозрачной зеркальной плёнкой.
УЗ-вой пучок от преобразователя 3,
питаемого генератором 4, падает на
объект и создаёт на поверхности жид-
жидкости рябь, соответствующую акустич.
изображению объекта. Для преобра-
преобразования акустич. изображения в види-
видимое пользуются сканирующим лучом
лазера 5 (сканирование обеспечивает-
обеспечивается рефлектором 6). Угол отражения
луча от рельефной поверхности жид-
жидкости меняется
от точки к точ-
точке, т. е. луч мо-
модулируется ря-
рябью по углу от-
отражения. Вто-
Вторично отражён-
отражённый от зерка-
зеркала 7 луч падает
на «оптический
нож» 8, преоб-
преобразующий уг-
угловую модуля-
модуляцию в модуля-
модуляцию интенсив-
интенсивности, а затем
на фотодиод 9, где образуется элек-
электрический сигнал, соответствующий
локальному акустич. давлению на
границе пластмасса — вода. Видимое
изображение получается на экране ос-
осциллографа 10, где электрич. сигнал
модулирует яркость, а развёртки син-
синхронизованы со сканированием лазер-
лазерного луча. М. а., основанный на счи-
считывании поверхностного рельефа лу-
лучом лазера, позволяет получать одно-
одновременно акустич. и чисто оптич. из-
изображение микрообъекта: световой луч,
Рис. 1. Схема акустиче-
акустического микроскопа, осно-
основанного на считывании
поверхностного рельефа.
МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ
217
прошедший через границу пластинка—
вода, взаимодействует с объектом 1
и собирается фотодиодом 11. Сигнал
с этого фотодиода модулирует яркость
осциллографа 12, где получается оп-
тич. изображение того же тела.
Основу линзового М. а. составляет
пара сферич. акустич. линз, фокусы
к-рых совмещены (рис. 2). Акустич.
линзы образуются вогнутыми сферич.
поверхностями на торцах звукопро-
водов 3. Пространство между линза-
линзами заполнено жидкостью 2, к-рая обе-
обеспечивает акустич. контакт с объек-
объектом 1. На торцах звукопроводов 3,
противоположных акустич. линзам,
помещаются пьезоэлектрические пре-
преобразователи 4, один из к-рых, питае-
питаемый генератором 5, работает как из-
излучатель плоских УЗ-вых волн, дру-
другой ¦— как приёмник. Вся энергия
УЗ-вых волн, рассеянная на помещён-
помещённом в фокальную плоскость системы
объекте, собирается приёмной линзой
и попадает на приёмный преобразова-
преобразователь, сигнал с к-рого через устройство
обработки 6 и усилитель 8 подаётся
на осциллограф 9. Чтобы получить
изображение с помощью такой систе-
системы, объект механически передвигают
по двум осям, причём это сканирова-
сканирование, осуществляемое устройством 7,
синхронизовано с развёрткой осцилло-
осциллографа, яркость к-рого модулирует
электрич. сигнал с приёмного преоб-
преобразователя. Линзовый сканирующий
М. а. позволяет работать также в ре-
режимах стереоскопическом, тёмного по-
поля, «на отражение» и нелинейном. Для
получения изображения в режиме
тёмного поля приёмную линзу откло-
отклоняют от акустич. оси системы так,
_±
У
9
Рис. 2. Схема лин-
линзового сканирующего
акустического мик-
микроскопа.
что она собирает лучи, рассеянные
объектом под большими углами. В сте-
реоскопич. режиме два изображения
получают при небольших отклоне-
отклонениях объекта от фокальной плоско-
Рис. 3. а — акустическое и б — оптиче-
оптическое изображение красных кровяных те-
телец (неокрашенных). Увеличение 500 X.
сти системы линз. В режиме «на отра-
отражение» используется одна и та же
линза для излучения и для приёма
УЗ-вых волн. В нелинейном режиме
осуществляется приём высших гармо-
гармоник акустич. сигнала или сигнала раз-
разностной частоты, что позволяет полу-
получить информацию о нелинейных свой-
свойствах микрообъекта.
Разрешение М. а. в диапазоне частот
от 1 МГц до 1000 МГц составляет от
1,5 мм до 1 мкм, а максимальное уве-
увеличение до 500 х. Основное достоин-
достоинство М. а. — высокая контрастность
изображения неокрашенного микро-
микрообъекта (рис. 3), к-рая определяется
рассеянием и поглощением УЗ-вых
волн на структуре микрообъекта, т. е.
его волновым сопротивлением и коэфф.
поглощения. Кроме того, М. а. позво-
позволяет получать изображения оптически
непрозрачных объектов. С его по-
помощью изучаются различные биоло-
гич. микрообъекты, в т. ч. мягкие
биологич. ткани, а также детали мик-
микроэлектроники, микрошлифы метал-
металлов и т. д.
Дальнейшее развитие М. а. связано
с совершенствованием методов ска-
сканирования (переход к электронному
сканированию), повышением разре-
разрешающей способности и с разработкой
новых режимов работы.
Лит.: Kessler L. W., «J. Acoustical
Soc. Amer.», 1974, v. 55, № 5, p. 909—18;
Lemons R. A., Qiate C. F., «Sci-
«Science», 1975, v. 188, № 4191, p. 905 — 11;
Березина СИ., Лямов В. Е.,
Солодов И. Ю., «Вестн. МГУ, сер.
физика, астрономия», 1977, т. 18, № 1, с.З—
18. С. И. Березина.
МИКРОСКОП УЛЬТРАЗВУКО-
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ — первоначальное название зву-
ковизора.
МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ —
относительно медленное изменение
амплитуды, частоты или фазы, накла-
накладываемое на гармоническое колеба-
218
МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ
ние. Соответственно различают ампли-
амплитудную, частотную и фазовую М. к.
(рис. 1). При любом способе М. к.
vwwwwwv
Рис. 1. Схематическое изображение мо-
модулированных колебаний: а — немоду-
лированное колебание; б — модулирую-
модулирующий сигнал; в — амплитудно-модулиро-
ванное колебание; г — частотно-модулиро-
частотно-модулированное колебание; 9— фазово-модулиро-
ванное колебание.
скорость изменения амплитуды, часто-
частоты или фазы должна быть достаточно
мала, чтобы за период колебания мо-
модулируемый параметр почти не изме-
изменился. М. к. применяют в разнооб-
разнообразных акустич., механич., электрич.,
оптич. и др. устройствах для переда-
передачи информации, напр., в гидролокации.
Переносчиком сигнала в этом случае
являются гармония, колебания высо-
Рис. 2. Амплитудная модуляция сину-
синусоидальным сигналом: <о — несущая ча-
частота; Я — частота модулирующих ко-
колебаний; Амакс и АМ1Ш — максимальное и
минимальное значения амплитуды.
кой частоты ш (несущая частота), ам-
амплитуда, частота или фаза к-рых моду-
модулируются передаваемым сигналом,
в к-ром заключена информация.
В простейшем случае модуляции
амплитуды синусоидальным сиг-
сигналом модулированное • колебание
(рис. 2) может быть записано в виде:
х = Ад A + т sin Qt) sin (o>t + q>),
где Ад, со и ф — амплитуда, частота и
начальная фаза исходного колебания,
Q — частота модуляции, t — время,
а величина т наз. глубиной модуля-
модуляции и характеризует степень измене-
изменения амплитуды:
Амакс Амин
Амакс ~Т~ Амин
Частота модуляции Q характеризует
скорость изменения амплитуды коле-
колебаний и должна быть во много раз
меньше, чем ш. Модулированное ко-
колебание уже не является строго гар-
гармоническим. Амплитудно-модулиро-
ванное колебание с синусоидальной
модуляцией представляет собой сум-
сумму трёх гармонич. колебаний с ча-
частотами ш, co + Q и со— Q. Колеба-
Колебание частоты ш наз. несущим; его амп-
амплитуда равна амплитуде Ао исходного
колебания. Две остальные частоты
наз. боковыми, или спутниками; амп-
амплитуда каждого из этих колебаний
рацна шА012. При усложнении моду-
модулирующего сигнала за счёт добавле-
добавления гармонич. составляющих других
частот в спектре модулированного ко-
колебания возникают соответственные
пары симметричных боковых частот.
При несинусоидальном модулирующем
сигнале вместо двух боковых частот
в спектре модулированного колеба-
колебания будут две боковые полосы, частот-
частотный состав к-рых определяется частот-
частотным составом модулирующего сигнала.
При частотной М. к. модули-
модулирующий сигнал вызывает изменение
мгновенных значений частоты, не
влияя на амплитуду колебаний. В про-
простейшем случае модуляции синусои-
синусоидальным сигналом частота колебаний
меняется по закону: со = ш0 +
+ Аш cos Qt, где cos Qt определяет фор-
форму модулирующего сигнала, Дсо — т. н.
девиация частоты, представляющая
собой амплитуду отклонения частоты
от несущей частоты ш0. При частотной
М. к. полоса частот модулированного
колебания зависит от величины Р =
= Aco/Q, к-рая наз. индексом частот-
частотной модуляции. При Р<1 справед-
справедливо приближённое соотношение:
х = Ао (sin u>t + р sin Qt cos cui).
В этом случае частотно-модулирован-
частотно-модулированное колебание, так же как и амплитуд-
но-модулированное, состоит из несу-
несущего колебания с частотой со и двух
спутников с частотами со + Q и
со — Q. Поэтому при малых Р полосы
МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА
219
частот, занимаемые амплитудно-мо-
дулированным и частотно-модулиро-
частотно-модулированным сигналами, одинаковы. При
больших р" спектр боковых частот зна-
значительно расширяется. Кроме колеба-
колебаний с частотами ш -j- Q, появляются
колебания, частоты к-рых равны
ш ± 2Я, в f Зй и т. д. Полная ши-
ширина полосы частот, занимаемая ча-
частотно-модулированным колебанием
с девиацией Аш и частотой модуляции
Q (с точностью, достаточной для прак-
тич. целен), может считаться равной
2Аш + 2Q. Эта полоса всегда шире,
чем при амплитудной М. к.
В случае фазовой М. к. моду-
модулированное колебание имеет вид:
х = Ао sin (шог + Дф cos Щ-'
Фазовая М. к. тесно связана с частот-
частотной модуляцией. При переменной ско-
скорости изменения фазы колебаний пе-
переменной оказывается и частота коле-
колебаний. Если модулирующий сигнал
синусоидальный, то форма модулиро-
модулированных колебаний и их спектральный
состав для частотной и фазовой мо-
модуляции одинаковы. При негармониче-
негармоническом модулирующем сигнале законы
изменения фазы и частоты колебаний
оказываются несколько различными.
.JULJULJLJUUL
Рис. 3. Различ-
Различные виды им-
импульсной моду-
модуляции: а — не-
модулирован-
ная последова-
последовательность им-
импульсов; б —¦
, JULJlilUULJUULIL с=ГваеЛйм-
„ _ _ I - . . . . 1 _ п плитудно - им-
a JLJUjJirLriJlJL л^ТяГ, - й:
¦^ П П П! ППмПП стотн°-имПуль-
е JUULJULUUL -ая д _модулоя-
но-импульсная модуляция; е — фазово-им-
пульсная модуляция.
В качестве переносчика информа-
информации может использоваться не только
гармонич. колебание, но и последо-
последовательность импульсов, каждый из
к-рых представляет собой цуг колеба-
колебаний несущей высокой частоты. Т. к.
импульсы имеют гораздо больше пара-
параметров, к-рые можно менять, чем гар-
гармонич. колебание, то и видов импульс-
импульсной М. к. в принципе может быть го-
гораздо больше. Периодич. последова-
последовательность импульсов определяется
четырьмя основными параметрами:
амплитудой, частотой следования, дли-
длительностью (шириной) и фазой. В соот-
соответствии с этим возможны четыре типа
импульсной М. к.: амплитудно-им-
амплитудно-импульсная, частотно-импульсная, ши-
ротно-импульсная, фазово-импульс-
ная (рис. 3). Импульсно-модулиро-
ванные колебания широко использу-
используются в звуковой локации, а также
в разнообразных устройствах получе-
получения, передачи и накопления инфор-
информации, напр, в акустоэлектронике.
Лит.: Гольдман С, Гармонический
анализ, модуляция и шумы, пер. с англ.,
М., 1951; Г о р е л и к Г. С, Колебания
и волны, 2 изд., М., 1959.
МОДЫ КОЛЕБАНИЙ — то же, что
нормальные колебания.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА —
раздел физической акустики, в к-ром
свойства вещества и кинетика молеку-
молекулярных процессов исследуются аку-
стич. методами. Основными методами
М. а. являются измерение скорости
звука и поглощения звука в зависимо-
зависимости от разных физич. параметров:
частоты звуковой волны, темп-ры, дав-
давления и др. Методами М. а. можно
исследовать газы, жидкости, полиме-
полимеры, твёрдые тела, плазму (см. также
Спектроскопия).
Развитие М. а. как самостоятель-
самостоятельного раздела началось в 30-е гг. 20 в.,
когда было установлено, что при рас-
распространении звуковых волн во мно-
многих веществах имеет место дисперсия
скорости звука, а поглощение звука
не всегда подчиняется классич. за-
закону, по к-рому коэфф. поглощения
пропорционален квадрату частоты. Эти
аномалии были объяснены на основа-
основании изучения релаксационных про-
процессов (см. Релаксация), что позво-
позволило связать нек-рые свойства вещест-
вещества на молекулярном уровне, а также
ряд кинетич. характеристик молеку-
молекулярных процессов с такими макроско-
пич. величинами, как скорость и по-
поглощение звука.
По скорости звука можно опреде-
определить сжимаемость, отношение тепло-
ёмкостей, модули упругости твёрдою
тела и др., а по поглощению звука —
коэфф. сдвиговой и объёмной вязко-
вязкости, время релаксации и др. В га-
газах, измеряя скорость звука и её за-
зависимость от темп-ры, определяют па-
параметры, характеризующие взаимодей-
взаимодействие молекул газа при столкнове-
столкновениях. В жидкости, вычисляя скорость
220
МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА
звука на основании той или иной мо-
модели жидкости и сравнивая результа-
результаты расчёта с опытными данными,
в ряде случаев можно оценить правдо-
правдоподобность используемой модели и оп-
определить энергию взаимодействия мо-
молекул. На скорость звука влияют осо-
особенности молекулярной структуры,
силы межмолекулярного взаимодей-
взаимодействия и плотность упаковки молекул.
Так, напр., увеличение плотности
упаковки молекул, появление водород-
водородных связей, полимеризация приводят
к увеличению скорости звука, а вве-
введение в молекулу тяжёлых атомов —
к её уменьшению.
При наличии релаксационных про-
процессов энергия поступательного дви-
движения молекул в звуковой волне пе-
перераспределяется на внутренние сте-
степени свободы. При этом появляется
дисперсия скорости звука, а зависи-
зависимость коэфф. поглощения на длину
волны от частоты имеет в этом случае
максимум на нек-рой частоте, наз.
частотой релаксации. Величина дис-
дисперсии скорости звука и величина
максимального коэфф. поглощения за-
зависят от того, какие именно степени
свободы возбуждаются под действием
звуковой волны, а частота релаксации,
равная обратному значению времени
релаксации, связана со скоростью
обмена энергией между различными
степенями свободы. Т. о., измеряя
скорость звука и поглощение в зави-
зависимости от частоты можно судить о ха-
характере молекулярных процессов и
о том, какой из этих процессов вно-
вносит основной вклад в релаксацию.
Этими методами можно исследовать
возбуждение колебательных и враща-
вращательных степеней свободы молекул
в газах и жидкостях, процессы столк-
столкновения молекул в смесях различных
газов, установление равновесия при
химич. реакциях, перестройку молеку-
молекулярной структуры в жидкостях, про-
процессы сдвиговой релаксации в очень
вязких жидкостях и полимерах, раз-
различные процессы взаимодействия зву-
звука с элементарными возбуждениями
в твёрдых телах и др.
Анализ акустич. данных для жид-
жидкостей обычно проводить труднее,
чем для газов, поскольку область ре-
релаксации здесь, как правило, располо-
расположена в диапазоне более высоких час-
частот, гдо измерения сложнее. В сильно
вяаких жидкостях, полимерах и
нек-рых др. веществах в поглощение
и дисперсию может давать вклад це-
целый набор релаксационных процессов
с широким спектром времён релакса-
релаксации. Поскольку время релаксации за-
зависит от темп-ры и давления, меняя
эти параметры, можно сдвигать об-
область релаксации по частоте. Так,
напр., в газе повышение давления эк-
эквивалентно уменьшению частоты. Это
явление бывает удобно использовать
при измерении скорости и поглощения
звука, если частота релаксации при
нормальных условиях оказывается
в диапазоне частот, с трудом поддаю-
поддающемся экспериментальному изуче-
изучению. Исследование температурных за-
зависимостей скорости и поглощения
звука позволяет разделить вклад раз-
различных релаксационных процессов.
В М. а. для исследований обычно
применяются акустич. волны высокой
частоты: в газах УЗ — в диапазоне
частот 104—10"' Гц, а в жидкостях и
в твёрдых телах — и диапазоне 105—
108 Гц. Это связано как с локализацией
областей релаксации в этих частотных
диапазонах, так и с высоким разви-
развитием техники излучения и приёма
УЗ и с большой точностью измерений
в этом диапазоне частот. На более
высоких частотах поглощение звука
становится очень большим и многие
акустич. методы неприменимы.
Лит.: Михайлов И. Г., Соло-
Соловьев В. А., Сырников Ю. П.,
Основы молекулярной акустики, М., 1964;
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона,
пер. с англ., т. 2, ч. А и Б, М., 1968—69;
т. 4, ч. А и Б, М., 1969—70; т. 7, 1974, гл. 2;
Бергман Л., Ультразвук и его приме-
применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд.,
М., 1957. А. Л. Полякова.
^МОНОХРОМАТИЧЕСКАЯ ВОЛ-
ВОЛНА— то же, что гармоническая волна.
МОЩНОСТЬ ЗВУКА — энергия,
передаваемая звуковой волной через
рассматриваемую поверхность в еди-
единицу времени. Различают мгновенное
значение М. з. и среднее за период
или за длительное время. Наиболь-
Наибольший интерес представляет среднее
значение М. з., отнесённое к единице
площади, т. н. средняя удельная мощ-
мощность звука, или интенсивность звука.
Для гармонической бегущей звуковой
волны средняя удельная М. з w
равна: i i
где р0 и va — амплитуды звукового дав-
давления и колебательной скорости ча-
частиц, р — плотность среды, с — ско-
НАПРАВЛЕННОСТЬ
221
рость звука в ней. Величина w явля-
является важной характеристикой аку-
стич. излучателей (см. Излучение зву-
звука). М. з. измеряется в системе СИ
в Вт, в системе СГС в эрг/с A Вт=
=1 Дж/с= 107 эрг/с). Удельная М. з.
измеряется соответственно в Вт/м2 и
в эрг/с-см2; на практике при оценке
свойств излучателей ультразвука поль-
пользуются единицей Вт/см2.
н
НАПРАВЛЕННОСТЬ излуча-
излучателей и приёмников —
свойство, заключающееся в наличии
нек-рой пространственной избиратель-
избирательности, т. е. способность излучать (при-
(принимать) звуковые волны в одних на-
направлениях в большей степени, чем
в других. В режиме излучения Н.
определяется интерференцией коге-
когерентных звуковых колебаний, прихо-
приходящих в данную точку среды от от-
отдельных малых по сравнению с длиной
волны в среде участков излучателя
или от отдельных элементов слож-
сложного излучателя, состоящего из мно-
многих элементов (т. н. излучающей
гидроакустической антенны). В режи-
режиме приёма Н. вызывается интерферен-
интерференцией давлений на поверхности приём-
приёмника, а в случае приёмной антенны —
также и интерференцией электрич. на-
напряжений, развиваемых на выходных
клеммах отдельных, составляющих
антенну, приёмников.
Физич. явления, обусловливающие
Н. излучателей и приёмников звуко-
звуковых и электромагнитных волн, одина-
одинаковы, что приводит к ряду аналогий
в их свойствах Н., однако имеются и
различия, вызванные отличием при-
природы акустич. и электромагнитных
волн и особенностями их распростра-
распространения в различных средах.
В зависимости от математич. моде-
модели, к-рой можно описать данный излу-
излучатель (см. Излучение звука), для
расчёта его Н. пользуются различными
теоретич. методами. В случае наиболее
простой модели, представляющей со-
собой дискретную или непрерывную со-
совокупность малых по сравнению с дли-
длиной волны К излучающих элементов,
поле излучателя определяется сумми-
суммированием (интегрированием) сферич.
волн, создаваемых отдельными эле-
элементами. Для плоских излучателей,
заключённых в бесконечные плоские
экраны, применяется принцип Гюй-
Гюйгенса. Поле сложных цилиндрич.'или
сферич. излучателей, а также плоских
излучателей без экранов можно опре-
определять с помощью метода собственных
ф-ций. Наиболее общие теоретич. ме-
методы основываются на использовании
ф-ций Грина.
Даже простейшие излучатели соз-
создают весьма сложное поле в среде
вблизи излучающей поверхности, и
только начиная с нек-рого расстояния
от неё L я*: 2d2A, где d — наибольший
размер излучающей поверхности,
ф-цию, описывающую звуковое давле-
давление, удаётся представить в виде двух
сомножителей, один из к-рых зависит
только от направления в пространстве
и не зависит от расстояния г. Поэтому
Н. излучателей обычно рассматривает-
рассматривается при г > L, т. е. в дальней зоне
излучения (зоне Фраунгофера).
Н. излучателей н приёмников опи-
описывают чаще всего двумя параметра-
параметрами: характеристикой на-
направленности и коэфф. кон-
концентрации (наз. также коэфф. направ-
направленного действия). Характеристикой
Н. D(u) наз. отношение давлений,
развиваемых антенной в дальнем поле
на одном и том же расстоянии г от
центра антенны в направлении, опре-
определяемом единичным радиусом-векто-
радиусом-вектором и и в нек-ром фиксированном
направлении м0, т. е. D(u) =p(w)/p(w,0).
Обычно направление м0 выбирают так,
чтобы оно совпадало с направлением
максимального излучения. Наиболь-
Наибольший практич. интерес представляет
модуль \D(u)\ = R(u), наз. также амп-
амплитудной характеристикой Н. Харак-
Характеристику Н. в сечении нек-рой пло-
плоскостью, проходящей через направле-
222
НАПРАВЛЕННОСТЬ
ние максимума излучения, представ-
представляют в полярной (рис. \,а) или в де-
декартовой (рис. 1,6) системах коорди-
координат. В этом случае аргументом ха-
характеристики Н. обычно является
угол, отсчитываемый от направления
Типичный вид
характеристики
направленно-
направленности: а — в по-
полярной системе
координат
(ОА — направ-
направление главного
максимума,
, — угловая
ширина главно-
а
го максимума по уровню 0,707, <х0 — угло-
угловая ширина главного максимума по пер-
первым нулям характеристики направлен-
направленности); б — в декартовой системе коор-
координат.
максимального излучения, и харак-
характеристика Н. представляется в виде
ф-ции Л (а).
Различают следующие основные об-
области и параметры, характеризующие
Н.: главный и добавочные максимумы
(лепестки), ширина главного макси-
максимума по первым нулям (по направле-
направлениям нулевого излучения), наз. так-
также шириной характери-
характеристики Н., и по уровню 0,707 (т. е.
по направлениям, соответствующим
уровню 0,5 по мощности), а также вели-
величина добавочных максимумов (по от-
отношению к главному).
Коэфф. концентра-
концентрации К — мера кон-
концентрации излучаемой
энергии вдоль нек-рого
направления (обычно
направления главного
максимума характери-
характеристики Н.). Определя-
Определяется он как отноше-
отношение интенсивности зву-
звука, создаваемой на рас-
расстоянии r^>L рассма-
рассматриваемым излучате-
излучателем в направлении
главного максимума,
к интенсивности гипо-
тетич. ненаправленно-
ненаправленного излучателя с такой
же излучаемой мощно-
мощностью на том же расстоя-
нии г. Это определение
следующими расчётными
„ 4л „ 2я
I Я2 (м) dii ' рс
выражается
|>-лами:
|р(«оИ'
" w '
где Я — полный телесный угол, рс —
волновое сопротивление среды, W —
мощность излучателя, р (и0) — ампли-
амплитуда звукового давления.
В первом приближении чем больше
волновые размеры излучателя (отно-
(отношение геометрич. размеров к длине
волны), тем меньше ширина его харак-
характеристики Н. и тем больше коэфф. кон-
концентрации. При размерах излучающей
поверхности, больших Я, коэфф. кон-
концентрации плоских поршневых излу-
излучателей в абсолютно жёстком экране
равен 4я5/Я2, где S — площадь излу-
излучающей поверхности.
В таблице приведены ф-ции, описы-
описывающие характеристики Н. нек-рых
простейших излучателей, угловую
полуширину характеристик Н. на
уровне 0,707 и по первым нулям
(ао.7О7 и а0), a также уровень первых
добавочных максимумов, отнесённых
к уровню главного ov Во всех случаях
обобщённый параметр z = {nd/k) since.
Угол а отсчитывается от перпенди-
перпендикуляра к плоскости излучателя, а сим-
символами /оB) и Ji(z) обозначены ф-ции
Бесселя 1-го рода, нулевого и 1-го
порядков.
Н. излучателей зависит от амплитуд-
амплитудно-фазового распределения колеба-
колебательной скорости частиц по их по-
поверхности. Амплитудные распределе-
Параметры, определяющие напраеленность простейших излучателей зеуиа
Тип излучателя
Название
Отрезок примой
Прямоугольный
поршень в экране
Круглый поршень
в экране
Окружность
Внешний еид
«0.7117
arcsin
arcsiii
USX
7i d
1,62 X
ar.csln -^
arcsin
3.42X
arcsin
2.22X
71 <f
0,22
0,13
0,40
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
225
ния, характеризуемые спадом ампли-
амплитуды к краям излучающей поверхно-
поверхности, расширяют основной максимум
характеристики Н. и уменьшают доба-
добавочные, а распределения с возраста-
возрастанием амплитуды к краям, наоборот,
уменьшают ширину главного макси-
максимума и увеличивают уровень добавоч-
добавочных. Фазовое распределение по по-
поверхности плоских и линейных излу-
излучателей, характеризуемое линейной
зависимостью фазы от координаты,
приводит к повороту главного макси-
максимума характеристики Н., что исполь-
используется для управления направлением
максимального излучения. Сущест-
Существуют методы решения обратных задач
теории антенн, позволяющие в нек-рых
случаях по заданной характеристике
Н. или к.-л. другим параметрам ан-
антенн определять требуемое амплитуд-
амплитудно-фазовое распределение.
Характеристикой Н. приёмника наз.
отношение напряжений, развиваемых
на его выходных клеммах (или на сум-
сумматоре, если приёмник представляет
собой совокупность нескольких эле-
элементов) под действием звукового дав-
давления, создаваемого вспомогательным
излучателем, расположенным в даль-
дальней зоне в произвольном направлении
г* и в нек-ром фиксированном направ-
направлении и0 на одном и том же расстоя-
расстоянии г от центра приёмника. Направ-
Направление м0 обычно выбирают так, чтобы
оно совпадало с максимальной чувст-
чувствительностью приёмника. Характе-
Характеристики Н. одного и того же обрати-
обратимого преобразователя в режимах при-
приёма и излучения одинаковы, если
только амплитудное распределение
и внутреннее механич. сопротивление
его (с учётом нагрузки с элоктрич.
стороны) не меняются. Н. приёмника
звука может являться эффективным
средством выделения полезного сиг-
сигнала на случайном шумовом фоне.
Коэфф. концентрации приёмника, оп-
определяемый так же, как и для излу-
излучателя, характеризует помехоустойчи-
помехоустойчивость приёмника в поле дальних изо-
изотропных помех.
Всё вышеизложенное относится к
работе излучателя (приёмника) в од-
однородной безграничной газовой или
жидкой среде. При наличии границ
и различных неоднородностей поле,
создаваемое излучателем, искажается
из-за рассеяния и дифракции звука.
В твёрдой среде, кроме продольных,
возникают и поперечные волны. В этом
случае различают характеристики Н.
по продольным и поперечным волнам.
Лит.: С к у ч и к В., Основы акустики,
пер. с нем., т. 1—2, М., 1958; Ультразвуко-
Ультразвуковые преобразователи, под ред. Е. Кикучи,
пер. с англ., М., 1972, гл. 10; Р ж е в к и н
С. Н., Курс лекций по теории звука, М.,
1960; Фра дин А. 3., Антенны сверхвы-
сверхвысоких частот, М., 1957; Г е i k К., «Hoch-
frequenztechmk und Elektroakustik», 1955,
Bd 64, № 2, S. 35—62; 3 e л к и н Е. Г.,
Построение излучающей системы по задан-
заданной диаграмме направленности, М.— Л.,
1963; Минкович Б. М., Яковлев
В. П., Теория синтеза антенн, М., 1969;
Смарышев М. Д., Направленность-
гидроакустических антенн, Л., 1973; Жу-
Жуков В. Б., Расчёт гидроакустических ан-
антенн по диаграмме направленности, Л.,
1977. М. Д. Смарышев.
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТ-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ультразвуковых волн
в твёрдых телах — одно из
проявлений нелинейных эффектов,
обусловленное тем, что акустич.
волна большой (конечной) амплитуды
при распространении по твёрдому телу
изменяет его физич. свойства. Это
влияет как на распространение самой
волны (самовоздействие: генерация
акустич. гармоник, самофокусиров-
самофокусировка), так и на распространение дру-
других волн в твёрдом теле (появление
волн комбинационных частот, моду-
модуляция волн и т. д.). Акустич. волны
бесконечно малых амплитуд (ли-
(линейная акустика) распространяются
в твёрдых телах, не взаимодействуя
друг с другом, т. е. выполняется прин-
принцип суперпозиции; для волн конечной
амплитуды (нелинейная акустика)
принцип суперпозиции не выполняется
и распространение волн описывается
нелинейным волновым ур-нием.
Зависимость потенциальной энер-
энергии U от расстояния г между атомами
(рис. 1) позволяет пояснить физич.
механизм нелинейных акустич. эф-
эффектов в твёрдых телах. При малых
амплитудах смещения растяжение и
сжатие одинаковы, т. к. дно потенци-
потенциальной ямы можно аппроксимировать
параболой, и состояние кристалла
с достаточной точностью описывается
линейным законом Гука:
0 = С, A)
где а — тензор напряжений, ? — тен-
тензор деформаций, С" — линейный мо-
модуль упругости, т. е. модуль упруго-
упругости 2-го порядка (называемый так
в связи с тем, что получен из выраже-
выражения для потенциальной энергии, со-
224
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
держащего только квадратичные чле-
члены по деформации).
Для больших амплитуд смещений
сжатие и растяжение становятся не-
неравноправными — зависимость потен-
потенциальной энергии от смещения атома
уже не описывается параболой. Сила
отталкивания при сближении атомов
нарастает быстрее, чем сила притя-
притяжения при увеличении расстояния
между ними (т. е. сжать уже сжатый
Рис. 1. Зависи-
Зависимость потенци-
потенциальной энер-
энергии U от рас-
расстояния между
атомами г в
кристалле. Пун-
Пунктиром показа-
показано изменение
положения рав-
равновесия атомов
в решётке при
"увеличении их амплитуды колебаний, по-
помеченных стрелками; а — постоянная ре-
решётки кристалла.
образец труднее, чем растянуть уже
растянутый). В этом случае спра-
справедлив нелинейный закон Гука:
а = С"? + С;2, B)
тде Сш — нелинейный модуль упру-
упругости, т. е. модуль упругости 3-го по-
порядка. Из ур-ния B) и ур-ния движе-
движения следует нелинейное волновое
ур-ние для вектора колебательного
смещения частиц и:
д2и „ц дги . pr-ш ди д2и ,,,
" dt2 дх2 ~* дх дхг * '
(р — плотность твёрдого тела). Не-
Нелинейность закона Гука приводит
к зависимости фазовой скорости с вол-
волны от деформации \:
где с0 = ~\/Сп1р. Вследствие этого
различные фазы волны имеют разную
скорость, и форма волны по мере
распространения изменяется. В пре-
пределе синусоидальная волна может
выродиться в пилообразную. Искаже-
Искажение формы волны приводит к измене-
изменению её спектра. Спектр волны обога-
обогащается гармониками, т. е. нелиней-
нелинейность приводит к генерации гармоник
в твёрдом теле. Если же в твёрдое
тело или кристалл излучаются две
или большее число акустич. волн
одновременно, то они будут взаимодей-
взаимодействовать друг с другом, порождая
новые волны комбинационных частот.
Условия синхронизма. При опреде-
определённых условиях возмущения, воз-
возникающие в области взаимодействия
волн, могут усиливаться и приводить
к излучению волн комбинационных
частот. Это происходит в случае, когда
возбуждения в отдельных точках об-
области взаимодействия возникают в со-
соответствующих фазах, т. е. имеется
временное и пространственное согла-
согласование. Условия согласования во
времени и в пространстве при взаимо-
взаимодействии двух волн с частотами a>i и
ы>2 и волновыми векторами к1 и fe2,
в результате к-рого излучается волна
комбинационной частоты ы>з с волно-
волновым вектором fc3, наз. условиями
синхронизма. Для квадратич-
квадратичного закона Гука B) — т. н. квадра-
квадратичной нелинейности — условия син-
синхронизма будут:
u>t ± сй2 = сй3, .,.
E;
Образованию волн суммарной частоты
соответствует знак +, а разностной—
знак —.
Если акустич. волны рассматривать
как фононы, то условия синхронизма
можно интерпретировать как законы
сохранения энергии и импульса фоно-
нов при их взаимодействии:
1 F)
hkx ± ftfc2 = %к3.
Таким образом, Н. в. УЗ-вых волн
можно рассматривать с квантовой
точки зрения как взаимодействие коге-
когерентных фононов определённых на-
направлений распространения и поля-
поляризации, т. е. как фонон-фонон-
ное взаимодействие.
Метод дисперсионных диаграмм.
Для анализа взаимодействия УЗ-вых
волн между собой, а также с другими
видами волн пользуются методом дис-
дисперсионных диаграмм. В системе, коор-
координат (со, кх, ку) в случае неколлине-
неколлинеарных взаимодействий волн или в си-
системе координат (со, к) в случае колли-
неарных взаимодействий строится дис-
дисперсионная характеристика, т. е. за-
зависимость со от к, для каждой из уча-
участвующих во взаимодействии волн.
При коллинеарном взаимодействии это
будут нек-рые кривые (рис. 2) или,
при отсутствии дисперсии, прямые,
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
225
Наклон вектора, проведённого из на-
начала координат О в каждую точку дис-
дисперсионной характеристики, опреде-
Рис. 2. Диспер-
Дисперсионная харак-
характеристика при
нелинейном кол-
линеарном вза-
и»Ц)действии
акустических
волн с диПе^
сией.
ляет фазовую скорость волны с с дай-
дайной частотой, а наклон касательной
к дисперсионной характеристике в дан-
данной точке — групповую скорость сг.
В случае неколлинеарного взаимодей-
взаимодействия дисперсионные характеристики
представляют собой конич. поверх-
поверхности.
Каждой из волн, участвующих во
взаимодействии, сопоставляют вектор
{ац, ki). При выполнения условий
синхронизма E) три вектора (u)lf кх),
(со2, к2), (ы>з, ка), участвующие во взаи-
взаимодействии волн, должны в резуль-
результате сложения составить замкнутый
треугольник. Концы векторов всех
участвующих во взаимодействии волн
должны попасть на соответствую-
соответствующие дисперсионные характеристики
(рис. 3). Если этого не происходит,
то говорят, что условия синхронизма
выполняются неточно, и вводится рас-
~к Обратные волны Прямые волны
Рис. 3. Дисперсионная диаграмма кол-
линеарного взаимодействия бездисперси-
бездисперсионных акустических волн FS, SS и L.
Показано встречное взаимодействие бы-
быстрой сдвиговой FS и медленной сдвиго-
сдвиговой SS волн с образованием продольной
L волны суммарной частоты.
стройка по частоте Дсо или по волно-
волновому вектору ДА;
COj + Ш2 = Ш3 -|- Alt),
k1±ki = kn + ДА;, G)
венным или временным биениям ре-
результирующей волны.
В случае точного выполнения усло-
условий синхронизма E) амплитуда ре-
результирующей волны суммарной или
разностной частоты пропорционадьна
произведению амплитуд взаимодейст-
взаимодействующих волн и длине о&ласти взаимо-
взаимодействия I:
иа~Гпихи21 (8)
(As — параметр нелинейного взаимо-
взаимодействия, к-рый определяется меха-
механизмом нелинейности и выражается
через нелинейный коэфф. и модули
упругости 2-го порядка).
Рис. 4. Изменение амплитуды 2-й акусти-
акустической гармоники в пространстве: a —
trnv. 4. изменение йишшт^дш *s-*i anyuiu
ческой гармоники в пространстве: а —
при выполнении условий синхронизма и
без поглощения; б — при расстройке вол-
волновых векторов Д/с; в — при поглощении
ультразвука.
Если имеется расстройка, напр,
по волновому вектору \к, то ампли-
амплитуда результирующей волны
и ~ Г и и I 3in(AM) (9)
и Д?с определяет период биений ре-
результирующей волны в области взаи-
взаимодействия.
Генерация гармоник.
При коллинеарном взаимодействии и
равенстве частот ев! = м2 результи-
результирующей волной является 2-я акустич.
гармоника со3 = Ящ. При отсутствии
поглощения для акустич. гармоник
наблюдается линейный рост в прост-
пространстве (рис. 4,а) или биения в случае
расстройки по волновому вектору ДА;
(рис. 4,6). Поглощение звука ограни-
ограничивает линейный рост акустич. гармо-
гармоники в пространстве, поэтому вначале
(вблизи источника УЗ) амплитуда 2-й
гармоники Aiu> растёт линейно, за-
затем процессы диссипации замедляют
её рост, наблюдается стабилизация
амплитуды, после чего происходит её
спад, вызванный затуханием гармони-
гармоники (рис. 4,в). Расстояние стабилизации
к-рая обычно приводит к пространст- = 1п2/2а (где а —. коэфф. поглощения
226
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
волны основной частоты). На расстоя-
расстояниях х > 1СТ процессы диссипации
приводят к тому, что амплитуда 2-й
гармоники экспоненциально падает
с расстоянием. *
Взаимодействия аку-
акустических волн. Как следует
из условий синхронизма E), взаимо-
взаимодействие волн возможно при опреде-
определённом соотношении частот. Так, для
коллинеарного взаимодействия встреч-
встречных быстрой (FS) и медленной (SS)
сдвиговых волн в кристалле образо-
образование продольной волны (L) суммар-
суммарной частоты сох + <в2, согласно дис-
дисперсионной диаграмме (рис. 3), воз-
возможно при соотношении частот:
"— и, — i + cjcss ' v*";
где cL, cFS, css — скорости соответст-
соответствующих волн.
При неколлинеарном взаимодейст-
взаимодействии (пересечение звуковых пучков —
рис. 5) в случае образования волн
суммарной частоты должно выпол-
выполняться условие:
cSs
¦COS0, A1)
где 6 — угол между волновыми век-
векторами взаимодействующих волн.
Если в ереде возможна волна толь-
только с одной скоростью и нет дисперсии,
то имеет место только коллинеарное
взаимодействие. Частным случаем та-
такого взаимодействия является рас-
рассмотренная выше генерация акустич.
гармоник. В изотропных твёрдых те-
телах возможны продольные и сдвиго-
сдвиговые волны, имеющие различные ско-
скорости. При этом число вариантов
взаимодействия возрастает (табл. 1),
а условие синхронизма E) определяет
углы взаимодействия C и рассеяния у,
а также и = щ/<и1. В кристаллах чис-
число возможных вариантов взаимодейст-
взаимодействия возрастает с 5 до 21.
Анизотропия кристаллов приводит
к ряду особенностей Н. в. УЗ-вых волн
и генерации акустич. гармоник. Так,
при распространении сдвиговых волн
вдоль акустич. осей кристаллов (напр.,
вдоль осей 3-го порядка в кристаллах
SiO2, LiNbO3, Ge, Si) генерация аку-
акустич. гармоники может проходить
с поворотом плоскости поляризации.
Напр., если сдвиговая волна, распро-
распространяющаяся в кварце вдоль оси z
(рис. 6), имеет поляризацию вдоль
оси х, то гармоника будет поляризо-
поляризована вдоль оси у. В то же время для
гармоники волны, поляризованной
вдоль оси у, поляризация гармоники
сохранится вдоль оси у. При произ-
Табл. 1. —Углы пересечения, рассеяния и пределы частот
при нелинейном взаимодействии упругих волн
различных типов без дисперсии в изотропных
твёрдых телах*
L (to
S (со
L(ft>
S (ft)
L (ft)
L(fi)
L(fi)
Тип взаимодействия
,) + L(ft>
i) + S(ft>
,) + L(co
,) + S(co
) =
) =
) =
) =
,)+S(<b,) =
i) + S(ft>
) =
i)+S(ft>2) =
L(to,
S(tO!
S(ft>i
L(fiii
L(ft>i
L(ft>i
S(fi)i
±<02)
±ша)
— <o2)
+ <B.)
+ <02)
— ftJ)
— 4>г)
Угол
4+
a +
пересечения
cos p
1
1
1—a2
•
A-a
-&<
2o (
1
2xo (
)(x2 + lI
x J
2)(x2+l)l
2x J
1 —a2)
a2 — 1)
1-a2)
Угол
рассеяния у
sin v = 0
sin v = 0
оШ7 a(l-x)"m|i
и sin |3
"e ' 1 + x cos p
ax sin p
8 " 1 + ax sin p
ox . „
S1"V A_И)ОШР
Предельные
шения для
-
-
i ,"-<2+l
1 ^ 2х -
а ~ 1. ^ .,
о + 1 "^
0<х<-
0<х<-
2о -*и~
соотно-
частот
, а2 4- 1
* а2 - 1
,о+ 1
"а- 1
2
— 1
2
4-1
- 2а
* Продольная волна частоты <0( (г = 1, 2) обозначена L (coi), сдвиговая — S («><); a. =
где сг — фазовая скорость продольных, cs — фазовая скорость сдвиговых волн.
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
227
вольных поляризациях сдвиговой
волны под углом ср к оси у поляриза-
поляризация гармоники будет поворачиваться
/I
Рис. 5. Область взаимодействия при не-
коллинеарном взаимодействии ультра-
ультразвуковых волн (а) и образование волн
суммарной (б) и разностной (в) частот.
Рис. 6. Поляризационные эффекты при
генерации акустических гармоник вдоль
оси 3-го порядка в тригональных кри-
кристаллах: а — плоскость поляризации
гармоники сохраняется; б — плоскость
поляризации гармоники поворачивается
на 90°; в — плоскость поляризации гар-
гармоники поворачивается на угол 2<р; 1 —
излучатель ультразвуковых волн частоты
со; 2 — приёмник акустической гармоники
частоты 2со; 3 — образец.
на угол 2ср к оси у. Аналогичные поля-
поляризационные эффекты наблюдаются
и для других кристаллов.
Механизмы нелинейного взаимодей-
взаимодействия. Н. в. УЗ-вых волн может быть
вызвано различными механизмами.
Один из них — геометрич. нелиней-
нелинейность, обусловленная особенностями
деформирования элементарного объ-
объёма и характеризуемая квадратичным
членом
— —- в тензоре деформации:
дщ
ди/
"^7
ди„ ди„ \
Решёточная нелинейность определя-
определяется особенностями сил взаимодейст-
взаимодействия между атомами кристаллич. ре-
решётки (отклонением от квадратичности
в законе Гука) и характеризуется мо-
модулями упругости 3-го порядка —
тензором 6-го ранга Сц^Цг- В пьезо-
электрич. кристаллах нелинейные эф-
эффекты дополнительно зависят от не-
нелинейности пьезоэффекта, описывае-
описываемой тензором 5-го ранга «п*^;, и от
электрострикции, характеризуемой
тензором fmnij- В пьезоиолупровод-
никовых кристаллах дополнительным
механизмом (часто доминирующим)
является электронная (концентраци-
(концентрационная) нелинейность, к-рая возникает
при взаимодействии ультразвука с
электронами проводимости.
Нелинейный акустич. параметр, оп-
определяющий эффективность генерации
акустич. гармоники или эффектив-
эффективность Н. в. ультразвуковых волн, оп-
определяется алгебраической суммой
каждого из нелинейных параметров
для рассмотренных механизмов нели-
нелинейности:
реш
¦Г,
етр "
A3)
где /'геом — нелинейный параметр,
обусловленный геометрич. нелиней-
нелинейностью A2), .Греш — решёточной не-
нелинейностью, Ашез — нелинейными
пьезоэлектрическими коэффициента-
коэффициентами, ^р — электрострикционными ко-
коэффициентами. Напр., при распрост-
распространении продольной УЗ-вой волны в
пьезоэлектрич. кристалле вдоль оси
[100] выражения для соответствующих
нелинейных параметров приведены в
табл. 2.
Табл. 2. — Н е л ин е й н ы е
параметры для продольной
волны в пьезоэлектрическом
кристалле
-Ггеом
зс"
С"
¦* реш
с1"
с»
г 1 г
J ПЬ€Э i CTp
к, е1"
fU
228
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Здесь К — коэффициент электроме-
электромеханической связи для данной врлны,
еш и е1 — нелинейный и линейный
пьезоэлектрич. коэффициенты, /" и
8П — электрострикционный коэфф. и
диэлектрич. проницаемость.
Экспериментальные исследования
нелинейных взаимодействий. Экспе-
Экспериментально возникновение 2-й гар-
гармоники можно наблюдать, напр., на
установке, схема к-рой показана на
рис. 7,а. Мощный генератор 1 создаёт
радиоимпульсы, к-рые преобразова-
преобразователем 2- (обычно пластинкой кварца
или ниобата лития) преобразуются
в акустические, распространяющиеся
в образце 3. Приёмник 4, резонансная
частота к-рого равна частоте 2-й гар-
гармоники, преобразует акустич. импуль-
импульсы в радиоимпульсы, к-рые проходят
через фильтр 5, задерживающий ос-
основную частоту и пропускающий 2-ю
гармонику, усиливаются усилителем
6 и подаются на осциллограф 7. По-
Поскольку акустич. импульс многократ-
многократно отражается от границ образца,
на экране осциллографа наблюдается
серия импульсов 2-й гармоники, к-рые
при малом затухании на длине образ-
Пп „
б t
Рис. 7. Измерение акустических гармоник
в твёрдых телах, а — блок-схема установ-
установки: 1 — генератор радиоимпульсов; 2 —
преобразователь на частоту <о; 3 — ис-
исследуемый образец; 4, — преобразователь
на частоту 2со; 5 — фильтр-пробка на
частоту <о; 6 — усилитель частоты 2<о;
7 — осциллограф; б — осциллограмма
отражений импульсов 2-й гармоники в
образце.
ца сначала увеличиваются, достигая
максимума, когда энергия, переда-
передаваемая из 1-й гармоники во 2-ю, рав-
равна энергии, теряемой 2-й гармоникой
в результате затухания, и, наконец,
начинают убывать из-за затухания
(рис. 7,6). В области частот несколь-
нескольких МГц при амплитуде радиоимпуль-
радиоимпульса ~ 1 кВ максимальная амплитуда
2-й гармоники в большинстве иссле-
исследованных твёрдых тел не превышает
нескольких % от,амплитуды 1-й гар-
гармоники. Исключение составляют
пьезоиолу проводниковые кристаллы
(напр., CdS), вк-рых из-за акустоэлек-
Рис. 8. Схема экспериментальной уста-
установки для исследования неколлинеарно-
го взаимодействия ультразвуковых волн
в изотропном твёрдом теле: 1 та 2 — ге-
генераторы радиоимпульсов на частоту
«>i и оJ; 3 — исследуемый образец; 4 —
приёмник на частоту g>s; 5 — осциллограф;
6, 7 и 8 — преобразователи на частоту
тронной нелинейности величина 2-й
гармоники возрастает на несколько
порядков. В сегнетоэлектрич. кри-
кристаллах при темп-ре Т ~ в (где
в — Кюри точка) также наблюдается
значительный рост 2-й гармоники.
Н. в. УЗ-вых волн при их пересече-
пересечении можно наблюдать, излучая в об-
образец 3 (рис. 8) две волны, частоты
к-рых сох и со2 и угол пересечения C
должны удовлетворять условиям син-
синхронизма E); при работе в импульс-
импульсном режиме взаимодействующие им-
импульсы, кроме того, должны одно-
одновременно проходить область взаимо-
взаимодействия. Рассеянная волна комбина-
комбинационной частоты принимается приём-
приёмником 4 под углом у к первой из взаи-
взаимодействующих волн; так же как и
при приёме 2-й гармоники, необхо-
необходима фильтрация и усиление приня-
принятой комбинационной волны, т. к. её
амплитуда составляет доли % от амп-
амплитуд взаимодействующих волн.
В случае поверхностных акустич.
волн (ПАВ) все рассмотренные выше
закономерности Н. в. УЗ-вых волн
и генерации гармоник сохраняются.
Однако имеются нек-рые особенности,
обусловленные неоднородной струк-
структурой поверхностных волн. Т. к. энер-
энергия ПАВ сосредоточена в тонком слое
порядка длины волны (см. Поверхност-
Поверхностные волны) и преобразователи ПАВ
обычно намного эффективнее преоб-
НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
229
разователей объёмных волн, для них
удаётся получать (при обычных усло-
условиях) значительно большие интенсив-
интенсивности звука и, следовательно, значи-
значительно большие амплитуды смещения
в волне. Это приводит к тому, что
в случае ПАВ нелинейные эффекты
проявляются сильнее, и генерацию
гармоник и взаимодействие волн на-
наблюдать значительно легче. Особенно-
Особенностью взаимодействия объёмных волн
с ПАВ является то, что условия син-
синхронизма E) выполняются не для пол-
полных волновых векторов к, а для их
проекций на границу раздела.
Нелинейное взаимодействие аку-
акустических и^ электромагнитных воли.
В пьезоэлектрич. кристаллах наряду
с взаимодейст-
взаимодействием акустич.
волн можно
рассматривать
Н. в. акустич.
' . и электромаг-
Рис. 9. Встреч-
Встречное взаимодей-
взаимодействие акустиче-
акустических волн в
пьеэоэлеьтриче-
ском кристал-
кристалле — эффект
свёртки: о —ди-
—дисперсионная
диаграмма; б —
схема экспери-
эксперимента; 1 — пре-
преобразователи;
2 — параметри-
параметрический элек-
электрод.
нитных волн. При этом условия син-
синхронизма будут также выполняться,
необходимо только учитывать частоту
и волновой вектор электромагнитных
волн. Т. к. их скорость значительно
больше скорости звука, то часто
вместо волнового электромагнитного
процесса можно рассматривать од-
однородное электрич. поле в кри-
кристалле, взаимодействующее с бегу-
бегущей акустич. волной. Напр., встреч-
встречное взаимодействие бегущих акустич.
волн одинаковой поляризации в пье-
яоэлектрич. кристалле (рис. 9) при-
приводит к появлению однородного попе-
поперечного электрич. поля Е удвоенной
частоты. Амплитуда поля Е опреде-
определяется нелинейностью пьезоэффекта
и произведением амплитуд взаимо-
взаимодействующих волн Е ~ К? - — , где
ет — нелинейный пьезоэлектрич. ко-
эффициент. Соответствующий сигнал
на частоте 2ш снимается с электродов,
нанесённых на боковые грани кристал-
кристалла,— т. н. параметрич. электродов.
Этот эффект используется для осущест-
осуществления операции свёртки сигналов в
устройствах обработки сигнальной
информации (см. Акустоэлектроника).
Если в данной структуре излучать
акустич. волну лишь одним из преоб-
преобразователей, а в момент прохождения
звука под параметрич. электродом
к последнему приложить электрич.
поле на удвоенной частоте, то наблю-
наблюдается обратный эффект — генерация
холостой, или обратной в о л-
н ы. При нек-ром поле, выше порого-
порогового, генерация волны -возможна я
без излучения прямой волны. Такой
эффект наблюдается в кристалле
LiNbO3 при использовании в качестве
поля накачки импульса от магнетрона
на частоте 3 ГГц при мощности больше
5 кВт. Рассмотренные выше элемен-
элементарные процессы взаимодействия
акустич. волн и переменного электрич.
поля лежат в основе такого эффекта,
как электроакустическое эхо.
Наряду с рассмотренными выше
динамич. эффектами взаимодействия
акустич. волн, в нелинейной кристал-
лоакустике изучаются и используются
статич. эффекты, к-рые состоят в изме-
изменении параметров акустич. волны под
воздействием постоянных или медлен-
медленно меняющихся механич. или элект-
электрич. полей. Так, при механич. дефор-
деформировании кристаллов (одноосное или
гидростатич. сжатие) будут изменять-
изменяться фазовая и групповая скорости аку-
акустич. волн и их поляризация. В пье-
пьезоэлектрич. кристаллах фазовая ско-
скорость акустич. волн будет изменять-
изменяться также при приложении постоянных
электрич. полей. Статич. эффекты
служат для управления распростране-
распространением акустич. волн в твёрдых телах
(напр., для изменения фазы волны),
для измерения внутренних напряже-
напряжений и, главным образом, для измере-
измерения нелинейных коэффициентов твёр-
твёрдых тел.
Исследование Н. в. УЗ-вых волн
имеет большое значение для понима-
понимания природы фонон-фононных взаимо-
взаимодействий в твёрдых телах, для изуче-
изучения взаимодействия акустич. коге-
когерентных фононов определённых по-,
ляризаций. Фонон-фононные взаимо-
взаимодействия определяют процессы уста-
230
НЕЛИНЕЙНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
новления теплового равновесия, теп-
теплопроводность, тепловое расширение
твёрдых тел. Взаимодействием элек-
электронов проводимости с фонолами опре-
определяются явления электропроводности
и сверхпроводимости, Фонон-фонон-
иые взаимодействия играют большую
роль в процессах нелинейного погло-
поглощения УЗ, в поглощении гиперзвуко-
гиперзвуковых волн в кристаллах, особенно
при низких темп-pax (см. Поглощение
звука). Н. в. УЗ-вых волн в твёрдых
телах начинают использовать в уст-
устройствах обработки сигнальной ин-
информации.
Лит.: Зарембо Л. К., Красиль-
Красильни к о в В. А., Введение в нелинейную
акустику, М., 1966; и х ж е, «Успехи физ.
наук», 1970, т. 102, в. 4, с. 549—86; Ерши-
лин К. К., Л ям о в В. Е., Пята-
Пятаков П. А., «Физика твёрдого тела», 1973,
т. 15, в. 11, с. 3226—30; Пятаков П. А.,
Л я м о в В. Е., «Физика твёрдого тела»,
1975, т. 17, в. 3, с. 752—61; Л е м а н о в
В. В., Смоленский Г. А., «Акуст.
но>, 1974, т. 20, в. 3, с. 426—34.
В. Е. Лямов.
НЕЛИНЕЙНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ
ЗВУКА — зависящее от амплитуды
поглощение звука, обусловленное не-
нелинейными процессами передачи энер-
энергии сильно поглощающим компонен-
компонентам спектра волны. В простейшем слу-
случае недиспергирующей среды Н. п. з.
вызывается накапливающимися нели-
нелинейными эффектами увеличения кру-
крутизны профиля волны, приводящими
к появлению разрывов — слабых
ударных волн. Возникновение разры-
разрывов сопровождается сильной диссипа-
диссипацией энергии, что и является в дан-
данном случае причиной Н. п. з.
Со спектральной точки зрения этот
процесс соответствует передаче энер-
энергии в высшие, более сильно поглощаю-
поглощающиеся гармония, составляющие вол-
волны. В связи с тем что форма волны
меняется по мере её распространения,
поглощение волны также зависит от
расстояния. В частности, для волны
первоначально синусоидальной формы
поглощение вблизи излучателя неве-
невелико и описывается обычными выра-
выражениями линейной акустики (см. По-
Поглощение звука); при удалении от излу-
излучателя оно возрастает, достигая мак-
максимума в области наибольших искаже-
искажений волны, после чего убывает. По-
Поглощение в данной точке пространства
зависит от амплитуды, возрастая с её
увеличением.
Амплитудный коэфф. поглощения
1-й гармоники волны в области, где
накопились нелинейные эффекты, оп-
определяется формулой:
, A)
где Real = Zspvjbk — акустич. Рей-
нолъдса число, Vi — амплитуда ко-
колебательной скорости для основной
гармоники, е ==
v+ i
• нелинейный
1
параметр среды, = (щ^)д ^
(для газов = CplCy — отношение
теплоёмкостей при постоянном дав-
давлении и объёме), S — энтропия, р —
а
150
100
50
20
30
40 Re,
Зависимость относительного коэффициен-
коэффициента поглощения a /ос волн конечной ампли-
1
туды от акустического числа Рейнольдса.
Сплошная линия — результат расчёта
по формуле A), значки — эксперимен-
экспериментальные результаты разных авторов.
плотность, с — скорость звуковой
волны, с0 — невозмущённое значение
с, к — волновое число, b = -j r\ -f-
+ ? + и (^ — с;)-1!11 ? ~ коэфф.
сдвиговой и объёмной вязкости,
и —коэфф. теплопроводности, ах =
= fccoVpcS — коэфф. поглощения вол-
волны, вычисленный в линейном прибли-
приближении. Коэфф. поглощения растёт вна-
вначале квадратично, а затем линейно с
увеличением амплитуды волны (рис.).
ПриЛеа1 > 1 из ф-лы A) получается:
а[ = а1Деа1. B)
Так, напр., при распространении
в воде УЗ-вой волны с амплитудой
звукового давления р = 3 атм и ча-
частотой со = 10т Гц в области образо-
образования пилообразной волны Real ъ 10а,
т. е. коэфф. поглощения at в этом
случае возрастает на два порядка по
сравнению с ах.
В пилообразной волне коэфф. по-
поглощения ап, характеризующий
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ
231
уменьшение пикового значения ско-
скорости уп, определяется выражением,
отличающимся лишь множителем от
ф-лы B):
a'a=a-^Rean. C)
Поглощение волн конечной амплиту-
амплитуды происходит не по экспоненциаль-
экспоненциальному закону, и у„ на расстоянии г
от источника описывается следующими
соотношениями:
для пилообразных плоских волн
vu = ¦
+eM,ft(r- г„) '
для цилиндрических
i
Vu =
"п
1 Vr/r0 -
и для сферических
"п — 1 + еМайг„ | In (r/r0) | '
где Ма = vie — Maxa число, v0 — пи-
пиковое значение колебательной ско-
скорости на расстоянии г0 от источника.
Рост поглощения волны с увеличе-
увеличением её интенсивности приводит к яв-
явлению насыщения: при постепенном
увеличении интенсивности излучае-
излучаемого звука интенсивность в любой
фиксированной точке поля растёт всё
медленнее, асимптотически прибли-
приближаясь к предельному значению. Поэ-
Поэтому существует нек-рое предельное
значение интенсивности звука/Пр, про-
пропускаемого средой на заданное- рас-
расстояние. Для плоской волны на рас-
расстоянии г от источника /пр = pc3/(efcrJ.
Явление насыщения имеет место лишь
при распространении периодич. волн;
амплитуда одиночного импульса ока-
оказывается зависящей от её начального
значения на любом расстоянии от
источника.
Эффект Н. п. з. может заметно про-
проявиться в мощных УЗ-вых фокуси-
фокусирующих системах (см. Фокусировка
звука), приводя к снижению коэфф.
усиления таких систем с увеличением
интенсивности фокусируемого звука.
Лит..- Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1953; Зарембо Л. К., К р а с и л ь-
ников В. А., Введение в нелинейную
акустику, М., 1966; Мощные ультразвуковые
поля, М., 1968 (физика и техника мощного
ультразвука, кн. 2). К. А. Наугольных.
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ в
акустическом поле — яв-
явления, возникающие при распростра-
распространении интенсивной звуковой волны и
проявляющиеся во взаимодействии
различных видов гидродинамич. воз-
возмущений, отсутствующем в звуковых
полях малой интенсивности. Н. э.
в акустич. поле можно рассматри-
рассматривать как результат изменения свойств
среды, вызванного распространяю-
распространяющейся волной и влияющего на рас-
распространение данной волны (самовоз-
(самовоздействие) или на распространение
других гидродинамич. возмущений
(взаимодействие).
К числу Н. э. в акустич. поле отно-
относятся: изменение формы волны при её
распространении, т. е. изменение вре-
временной зависимости параметров волны,
возникновение комбинационных тонов,
вызванных рассеянием звука на звуке,
самофокусировка волны, давление зву-
звукового излучения, акустич. течения,
кавитация и др. С математич. точки
зрения Н. э. — это явления, для опи-
описания к-рых приближения линейной
акустики оказываются недостаточны-
недостаточными, и необходим учёт нелинейных
членов ур-ний гидродинамики и
ур-ния состояния. Характерной чер-
чертой Н. э. является их зависимость от
амплитуды волны, в отличие от яв-
явлений линейной акустики, примерами
к-рых могут служить дифракция
звука, рассеяние звука, определяемые
лишь частотой и скоростью звуковой
волны. Формально этот факт обуслов-
обусловлен тем, что нелинейные члены ур-ний
содержат амплитуду волны в более
высокой, чем линейный член, степе-
степени. Волны, при распространении
к-рых проявляются Н. э., наз. также
волнами конечной ампли-
амплитуды. Относительный вклад Н. в.
зависит от амплитуды и характе-
характеризуется акустич. Маха числом:
Ма = vie = р'/р, где v — амплиту-
амплитуда колебательной скорости частиц,
с — скорость звука, р' — обусловлен-
обусловленная волной избыточная плотность,
р — равновесное значение плотности.
Принципиально важно, что учёт
нелинейных членов приводит не толь-
только к нелинейным поправкам поряд-
порядка Ма, малым при Ма <g 1, но и к на-
накапливающимся при распространении
волны эффектам, к-рые в случае
плоских волн характеризуются вели-
величинами Мцкх или МаЫ, где к — волно-
волновое число, со — частота звука, t —
время, х — координата в направле-
направлении распространения волны. Эти эф-
эффекты радикально изменяют картину
распространения волны даже при ма-
232
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ
лых Ма. Пример такого накапливаю-
накапливающего эффекта — искажение формы
волны при её распространении, обус-
обусловленное разницей в скоростях пе-
перемещения различных точек профиля
волны. Для плоской волны скорость
перемещения точки профиля, соот-
соответствующей заданному значению ко-
колебательной скорости v, определяется
ф-лой:
с (v) = с0 + ер, A)
где
= с@), е =
нелиней-
Эс2\
ныи параметр среды, у= (в~) » "Ь *¦>
о
для газов у = CplCy — отношение
теплоёмкостей яри постоянном давле-
давлении и объёме, S — энтропия, р —
плотность; для воды е = 8. Из ф-лы
A) видно, что точки профиля, соот-
соответствующие областям сжатия (и>0),
«бегут» быстрее точек, соответствую-
соответствующих областям разрежения (v<CP).
Происходит это из-за того, что ско-
скорость звука в области сжатия боль-
больше, чем в области разрежения, а
также из-за увлечения волны средой,
к-рая в области сжатия движется
в направлении распространения вол-
волны, а в области разрежения — в про-
противоположном направлении. Эта раз-
разница скоростей пренебрежимо мала
в случае волн малой интенсивности,
когда Ма <С1, и волна успевает затух-
затухнуть, прежде чем в ней разовьются
Н. э. Распространение таких волн
происходит практически без измене-
изменения их формы, в соответствии с реше-
решениями линейной акустики, указыва-
указывающими на постоянство скорости зву-
звука для всех точек профиля волны.
Если же интенсивность волны до-
достаточно велика, то влияние накап-
накапливающихся Н. э. оказывается бо-
более сильным, чем влияние диссипатив-
ных процессов, обусловливающих за-
затухание волны, поэтому первоначаль-
первоначально синусоидальная волна переходит
в пилообразную.
Количественно соотношение ролн
нелинейных и диссипативных про-
процессов характеризуется акустич. Рей-
нолъдса числом'. i?ea = 2е т-г, где
Ь=4/зЛ + ? + «(^-У, Ч, С-
коэфф. сдвиговой и объёмной вяз-
вязкости, % — коэфф. теплопроводности;
для воды Леа я» 30р/у, р — амплитуда
звукового давленая в атм, / = м/2я —
частота в МГц. При Rea > 1 преоб-
преобладают Н. э. и происходит сильное ис-
искажение про-
профиля волны,
приводящее
к увеличе-
увеличению крутизны
фронтов сжа-
сжатия и образо-
образованию слабых
ударных волн
(рис. 1). Ми-
нимальная рис t Профиль волны
ширина фрон- конечной амплитуды.
та сжатия б,
которая может образоваться в резуль-
результате эволюции из-за Н.э. плоской вол-
волны с амплитудой колебательной ско-
скорости vm, определяется соотношени-
соотношением, вытекающим из теории слабых
ударных волн: 6~6/ерг;т. Расстояние
L, на к-ром присходит переход сину-
синусоидальной волны в пилообразную,
зависит от амплитуды и длины волны.
Для плоской волны оно определяется
ф-лой: kL = \1гМа. В воде, напр.,
для волны интенсивностью в несколь-
несколько десятков Вт/см2 L — порядка сот-
сотни длин волн (рис. 2). В расходящих-
расходящихся (напр., сферических или цилинд-
цилиндрических) волнах эффект изменения
формы волны проявляется слабее, а
в сходящихся сильнее, чем в плоских.
В случае стоячих волн конечной ам-
амплитуды также могут образовываться
ударные волны, причём волны эти
движутся, периодически отражаясь от
границ объёма, в к-ром возбуждена
стоячая волна.
Увеличение крутизны волновых
фронтов приводит к возрастанию по-
поглощения волны (см. Нелинейное по-
поглощение звука) вследствие увеличе-
увеличения градиентов скорости и темп-ры.
Искажение формы волны при распро-
распространении волны конечной амплитуды
со спектральной точки зрения озна-
Рис. 2. Экспериментально зарегистриро-
зарегистрированный профиль первоначально сину-
синусоидальной волны на расстоянии 100 длин
волн от излучателя. Амплитуда давления
пилообразной волны 10 атм, частота
0,775 МГц.
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ
233
чает нарастание высших гармонич.
составляющих основной частоты. Этот
эффект является частным случаем
явления нелинейного взаимодействия
волн, проявляющегося в том, что при
возбуждении в среде одновременно
нескольких волн они не распростра-
распространяются независимо, а порождают но-
новые волны — т. н. комбинационные
тона, частоты к-рых равны сумме и
разности частот исходных волн. Вто-
Вторая гармоника волны основной часто-
частоты является примером комбинацион-
комбинационного тона.
Уравнение, описывающее измене-
изменение амплитуды Аь волны комбина-
комбинационного тона частотой со = ca(fc), об-
образующегося в результате взаимодей-
взаимодействия волн с волновыми векторами
к' и к", т. е. при условии
к = к' + к", B)
имеет вид:
<Щ* _ у А А еК (<V + "V ~ ю*) *
Of— v hh'h "лк 'лк"е v " " *' 1
где Vfck'jj" — потенциал взаимодейст-
взаимодействия волн, определяемый характером
нелинейности среды. Если, кроме
ур-ния B), удовлетворяется ур-ние
со = со' + ю", т. е. выполняются т. н.
условия синхронизма, то показатель
экспоненты обращается в нуль и про-
происходит монотонное нарастание ампли-
амплитуды Ль- При наличии расфазировки,
т. е. нарушении условий синхрониз-
синхронизма, что может быть вызвано диспер-
дисперсией, амплитуда комбинационного то-
тона не нарастает, а меняется периоди-
периодически по мере распространения волны.
Нелинейные взаимодействия волн от-
открывают возможность создания па-
раметрич. усилителей звука, в к-рых
энергия интенсивной волны накачки
передаётся благодаря взаимодейст-
взаимодействию слабой волне сигнала, приводя
к его усилению. Подробнее см. Не-
Нелинейное взаимодействие.
Н. э. в акустич. поле вызывают
перераспределение энергии возмуще-
возмущения по спектру. Это позволяет в слу-
случае большого числа волн, когда взаи-
взаимодействие между ними приобретает
статистич. характер, определить вид
спектра в т. н. инерционном интерва-
интервале частот, характеризующемся отсут-
отсутствием источников и стоков энергии.
В частности, в среде без дисперсии
спектральная плотность ей энергии
акустич. шума в инерционном интер-
интервале характеризуется зависимостью:
ek~k'2. В неоднородных волнах ко-
конечной амплитуды, примером к-рых
может служить УЗ-вой пучок, нели-
нелинейные явления могут приводить
к перераспределению энергии по се-
сечению пучка, т. е. к самофокусиров-
самофокусировке или расплыванию пучка, в зависи-
зависимости от того, уменьшается или уве-
увеличивается скорость звука с увели-
увеличением его интенсивности.
Примером ненакапливающегося
Н. э. может служить давление звуково-
звукового излучения — среднее по времени
избыточное давление на препятствие,
вызываемое падающими на препят-
препятствие звуковыми волнами и обуслов-
обусловленное передачей ему импульса ог
волны. Давление звукового излуче-
излучения пропорционально квадрату ам-
амплитуды волны, что позволяет непос-
непосредственно по измерению его величи-
величины (напр., с помощью радиометра)
определить интенсивность звука.
Другим Н. э., к-рый также связан
с переносом волной количества дви-
движения, являются акустические тече-
течения, или звуковой ветер,— регуляр-
регулярное перемещение частиц среды, выз-
вызванное звуком. Обычно акустич. те-
течения обусловлены передачей импуль-
импульса от волнового движения к регу-
регулярному вследствие поглощения зву-
звука в среде.
Своеобразным Н. э. в акустич. поле,
возникающим при распространении
ввука в жидкости, является кавита-
кавитация, к-рая также сопровождается пе-
перераспределением энергии по спектру.
Лит.: Зарембо Л. К., Красиль-
ников В. А., Введение в нелинейную
акустику, М., 1966; Стретт Дш. В.
(лорд Рзлей), Теория звука, пер. с англ.,
2 изд., т. 2, М., 1955; Ландау Л. Д.,
Л и ф ш и ц Е. М., Механика сплошных
сред, 2 изд., М., 1953; Мощные ультразву-
ультразвуковые поля, М., 1968 (Физика и техника
мощного ультразвука, кн. 2); А х м а н о »
С. А., Хохлов Р. В., Проблемы не-
нелинейной оптики, М., 1964; Кадомцев
Б. Б., Карпман В. И., Нелиней-
Нелинейные волны, «Успехи физ. наук», 1971, т. 103,
в. 2. К. А. Наугольных.
НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ — гармо-
гармонические волны, распространяющиеся
в волноводе без изменения формы.
Значение Н. в. в акустике связано
с тем, что любое звуковое поле внутри
волновода в области, где источники
звука отсутствуют, может быть пред-
представлено в виде суперпозиции Н. в.
данного волновода. По структуре зву-
звукового поля каждая Н. в. представ-
234
НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ
ляет собой волну, бегущую вдоль
волновода и стоячую в поперечном
направлении, Разные Н. в. различа-
различаются чи«яом и расположением узло-
узловых поверхностей давления в попе-
поперечном сечении волновода. В простей-
простейшем случае двухмерного движения
в волноводе, образованном плоским
слоем жидкости или газа, заключён-
заключённым между двумя звуконепроницае-
звуконепроницаемыми стенками, узловые поверхности
представляют собой плоскости, парал-
параллельные стенкам. Каждой Н. в. при-
приписывают номер (или порядок), рав-
равный числу имеющихся у неё узловых
плоскостей. Давление в какой-либо
Н. в., бегущей вдоль оси х в слое,
перпендикулярном оси z, можно пред-
представить в виде:
Рп= К cos (С„г + еп) ег^х,
где п — номер волны, Ап — ампли-
амплитуда, \п— волновое число Н. в., удов-
удовлетворяющее ур-нию
Й+? = *»,
где к = (?>/с — волновое число зву-
звуковой волны данной частоты ш в неог-
неограниченной среде, с — скорость зву-
звука; величины еп и t,n определяются
лз граничных условий на стенках.
Напр., для абсолютно жёстких сте-
стенок еп=0 и ?„ = nn/h, где h — толщина
слоя, и вся последовательность Н. в.
может быть записана одной ф-лой:
{начало координат выбрано на одной
из стенок волновода).
Во всех волноводах для каждой
Н. в., кроме волны нулевого порядка,
существует т. н. критич. частота, ни-
ниже к-рой она не распространяется,
а превращается в колебание с ампли-
амплитудой, меняющейся вдоль волновода
по экспоненциальному закону. Для
рассматриваемого волновода критич.
частоты равны: о)кр = nnclh. Волна
нулевого порядка имет вид eihx и
может распространяться при сколь
угодно низкой частоте. Все Н. в.,
ироме волны нулевого порядка, име-
имеют большую дисперсию скорости рас-
распространения: фазовая скорость уп =
~с 1у 1 — (гт) , групповая скорость
Т. о., в рассмотренном волноводе
фазовая скорость Н. в. всегда боль-
больше, а групповая скорость — меньше
скорости звука в неограниченной сре-
среде; с увеличением частоты первая убы-
убывает, а вторая — растёт, и обе стре-
стремятся асимптотически к с.
Каждую Н. в. в слое можно пред-
представить в виде суперпозиции двух
плоских волн, взаимно переходящих
друг в друга при отражении на стен-
стенках:
В случае трёхмерного движения уз-
узловые поверхности в Н. в. образуют
два семейства и каждой Н. в. можно
приписать два номера, указывающих
число узловых поверхностей первого
и второго семейства. Напр., для вол-
волновода в виде трубы прямоугольного
сечения с жёсткими стенками, запол-
заполненной жидкостью или газом, всю по-
последовательность Н. в. можно выра-
выразить ф-лой:
Рпт = Апт cos ^ у cos ^ z х
v/ p ' \ n-ILt, I \rtHZ'
где hi и fe2 — длины сторон попереч-
поперечного сечения волновода, а начало
координат взято на одном из рёбер
трубы; п, т — номера, выражающие
число узловых плоскостей, параллель-
параллельных плоскостям у — О и z = 0 соот-
соответственно. Для волноводов в виде
круглых труб, заполненных жид-
жидкостью или газом, Н. в. имеют вид:
Рпт. = AnmJm (Cnr) COS т<рег%"х
или
Рпт = AnmJm (Cnr) sin m<pelt»x,
где /m — функция Бесселя порядка
т, п — число узловых поверхностей
в виде концентрич. цилиндров с осью,
совпадающей с осью волновода, т —
число узловых плоскостей, проходя-
проходящих через ось волновода, г и <р —
полярные координаты поперечного се-
сечения трубы. Как и для плоского
волновода, должно быть удовлетво-
удовлетворено ур-ние
а величина ?п определяется для каж-
НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ
235
дого заданного номера п из граничных
условий на поверхности трубы.
Н. в. в твёрдых волноводах (стерж-
(стержни, пластины) аналогичны Н. в. в жид-
жидких или газообразных волноводах и
также характеризуются наличием
критич. частот, значительной диспер-
дисперсией, возможностью представить лю-
любое поле в виде суперпозиции Н. в.
данного волновода. Однако структура
звукового поля Н. в. в твёрдом вол-
волноводе более сложна, т. к. в твёрдых
телах могут распространяться не толь-
только продольные, но и сдвиговые вол-
волны. Подробнее см. Нормальные волны
в пластинах и стержнях.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания
и волны, 2 изд., М., 1959; Бреховских
Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд.,
М., 1973. М. А. Исакович.
НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ в плас-
пластинах и стержнях — гармо-
гармонические упругие возмущения, рас-
распространяющиеся в пластинах и стер-
стержнях. В Отличие от упругих волн
в неограниченных твёрдых средах,
Н. в. в пластинах и стержнях удов-
удовлетворяют не только ур-ниям теории
упругости, но и граничным условиям
на поверхностях пластины и стержня
(в большинстве практич. случаев эти
условия сводятся к отсутствию меха-
нич. напряжений на поверхностях).
Из-за граничных условий характе-
характеристики Н. в., в частности их упругое
поле (т. е. распределение смещений и
напряжений по поперечному сечению
пластины или стержня), существенно
более сложны, чем у волн в неогра-
неограниченных твёрдых средах. Вместе
с тем Н. в. в пластинах и стержнях —
это такие же элементарные волны, как
продольные и сдвиговые в неограни-
неограниченной среде, в том смысле, что любое
сложное волновое движение в пласти-
пластине и стержне распадается на сумму
Н. в., а поток упругой энергии равен
сумме потоков во всех Н. в.
Н. в. в пластинах подразде-
подразделяются на два класса: Лэмба волны,
у к-рых имеется колебательное сме-
смещение частиц как в направлении рас-
распространения волны, параллельном
плоскости пластины, так и перпенди-
перпендикулярно плоскости пластины, и по-
поперечные Н. в., обладающие только
одной компонентой смещения (отсут-
(отсутствующей в волнах Лэмба), парал-
параллельной плоскости пластины и пер-
перпендикулярной направлению распро-
распространения волны (рис. 1, а). Т. о.,
деформация в поперечной Н. в. яв-
является чистым сдвигом. По характеру
деформации поперечные Н. в. делят-
делятся на симметричные s и антисиммет-
антисимметричные а. В симметричных волнах
\2h
Рис. 1. о — поперечная нормальная сим-
симметричная волна в пластине толщиной 2ft;
б — та же волна, представленная в виде
совокупности двух сдвиговых волн, рас-
распространяющихся под углом к направле-
направлению её распространения; fct — волновые
векторы сдвиговых волн, образующих
нормальную волну; х — направление рас-
распространения волны; у — направление
колебательных смещений частиц.
движение происходит симметрично
относительно срединной плоскости
z = 0: в верхней и нижней половинах
пластины смещение vs по оси у имеет
одинаковые знаки и распределено по
закону:
vs = А• cos ms -j- sin (ksx— u>t), A)
где q — круговая частота, t — время,
ks — 2n/^s — волновое число сим-
симметричной H. в., 2h — толщина пла-
пластины, А ¦— произвольная постоян-
постоянная, ms = 0,1,2,3,...—последователь-
0,1,2,3,...—последовательность чисел, обозначающих номера
(порядки) волн. В антисимметричных
волнах а движение антисимметрично
относительно плоскости г = 0: в верх-
верхней и нижней половинах пластины
смещение va по оси у имеет противо-
противоположные знаки и распределено но
закону:
va = A sin та — sin (kax—<ot), B)
метричной Н. в., А — произвольная
постоянная, та = -я, -^, -j, -%,... Ос-
Основным свойством поперечных Н. в.
(как и волн Лэмба) является то, что
при заданных значениях со и h в пла-
пластине может распространяться только
определённое число волн, к-рое тем
больше, чем больше отношение ;— = ^—
At CfJI
(c(, Xt — фазовая скорость и длина
сдвиговой волны). При 2/гЛ<<[ х/2 в пла-
236
НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ
стине может распространяться только
одна Н. в. (нулевая Н. в.). Эта волна
является симметричной, и смещение
в ней одинаково во всех точках попе-
поперечного сечения (ms = 0, cos ms -^- = 1),
а фазовая с* и групповая сгр ско-
скорости равны Cf, т. е. это такая же
сдвиговая волна, как в неограничен-
неограниченном твёрдом теле. Волны порядка
выше нулевого (симметричные sx, s2,
s3, ..., для 'К-рых ms = 1,2,3,..., и
антисимметричные %, а2, а3, ..., для
13 5 ,
к-рых та = -j, -г;, -J, ...) появляются
только при нек-рых «критических»
значениях a>h/ct. При докритич. тол-
толщинах и частотах в этих волнах нет
потока анергии, и они представляют
собой синфазное движение, экспонен-
экспоненциально затухающее по оси х. Кри-
Критич. значения a>h/ct определяются из
условия:
(«*) = (**) =msan. C)
V Ct /кр V А( /кр >
При этом условии по толщине
пластины укладывается целое число
сдвиговых полуволн, и рождающаяся
Н. в. представляет собой стоячую
сдвиговую волну, образованную дву-
двумя волнами, распространяющимися
с равными амплитудами в положи-
положительном и отрицательном направле-
направлениях оси z. Фазовые скорости волн
при этом равны бесконечности, а
групповые — нулю.
В общем случае поперечных Н. в.
с* =
; сг" = 1/с* -
'¦'
Как видно из рис. 2, при значениях
— = -г—п, больших критических, фа-
зовые скорости Н. в. становятся от-
отличными от бесконечности, а группо-
групповые — от нуля. Это можно интерпре-
интерпретировать как поворот направлений
распространения двух сдвиговых волн,
образующих стоячую волну в критич.
области, от оси z в стцрону положитель-
положительной оси х (рис. 1). С ростом (uhlcf
значения с* Н. в. монотонно умень-
уменьшаются, а сгр — монотонно возраста-
возрастают, приближаясь с разных сторон
к предельному значению сФ> ГР = ct.
Распределение смещений в попереч-
поперечных Н. в. обладает тем свойством,
что (в отличие от распределения в вол-
волнах Лэмба) число узлов и пучностей
смещения в поперечном сечении пла-
пластины возрастает только с увеличени-
увеличением номера волны, т. е. при переходе
от волн низших номеров к высшим.
Для волны заданного номера распре-
распределение смещений по сечению пласти-
1
1
ж
L V. /С
2fr
О I 2 3 4 5 6 Х(
Рие. 2. Зависимости фазовых с* и груп-
групповых сгр скоростей поперечных симмет-
симметричных s и антисимметричных а нормаль-
нормальных волн различного порядка, отнесён-
отнесённых К СКОРОСТИ СДВИГОВОЙ ВОЛНЫ С(, ОТ
толщины пластины 2ft, отнесённой к дли-
длине сдвиговой волны Xf
ны сохраняется неизменным при лю-
любых значениях ш и h (см. ф-лы 1 и 2).
Н. в. встержняхпо своим ка-
качественным характеристикам и свой-
свойствам полностью аналогичны волнам
Лэмба и поперечным Н. в. в пласти-
пластинах. Все свойства этих волн опреде-
определяются параметрами упругости и
плотностью материала, частотой со
и поперечным размером волновода —
диаметром d стержня, к-рый аналоги-
аналогичен здесь толщине 2h пластины. Н. в.
в стержнях подразделяются на три
типа: продольные, изгибные и кру-
крутильные. В продольных Н. в. (рис.
3, а), к-рые аналогичны симметричным
волнам Лэмба, движение происходит
симметрично относительно оси х стер-
стержня и преобладает осевая (продоль-
(продольная) компонента смещения. В из-
гибных Н. в. (рис. 3, б), аналогичных
антисимметричным волнам Лэмба,
ось х претерпевает изгиб и преобла-
преобладает поперечная компонента смеще-
смещения. В крутильных Н. в. (рис. 3, в),-
к-рые аналогичны поперечным Н. в.
в пластинах, имеется только одна
азимутальная компонента смещения
«ф, а движение симметрично относи-
относительно оси х и представляет собой
вращение поперечного сечения стерж-
стержня относительно этой оси.
Как и для Н. в. в пластинах, на
низких частотах (когда md/ct < 1)
в стержнях может распространяться
НОРМАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
•237
только по I одной Н. в. каждого типа.
При этом нулевая волна продольного
типа представляет собой простейшую
продольную' волну в стержне с син-
синфазными продольными смещениями
частиц в каждом его сечении и неболь-
небольшими поперечными смещениями из-за
эффекта Пуассона. Её фазовая и груп-
групповая скорости равны }/Е/р, где Е —
модуль Юнга, р — плотность мате-
материала. Нулевая волна изгибного типа
на низких частотах — это обычная
изгибная волна. Нулевая волна кру-
крутильного типа — это волна, в к-рой
все поперечные сечения стержня по-
поворачиваются как целое на нек-рый
—» г
/W
А*
Рис. 3. Схематическое изображение дви-
движения в стержнях при распространении
нормальных волн нулевого порядка: а —
продольных, б — изгибных, в — кру-
крутильных. Стрелками показано направле-
направление смещений (для преобладающей ком-
компоненты).
угол относительно оси z, а с* = сгр =
=VlVp = cti гДе (* — модуль сдвига.
При увеличении частоты и толщины
стержня, т. е. параметра (od/ct, свой-
свойства нулевой волны крутильного типа
(как и нулевой поперечной волны в
пластине) не меняются, а для нуле-
нулевых волн продольного и изгибного
типов (подобно нулевым волнам Лэм-
ба s0 и а0) наступает своеобразный
скин-эффект: они превращаются в по-
поверхностные Рэлея волны.
Н. в. всех типов порядка выше ну-
нулевого, как и в пластинах, появляют-
появляются в стержнях только при «критиче-
«критических» значениях cod/cf (когда диаметр
d порядка длины поперечной волны).
При докритич. толщинах и частотах
в этих волнах нет потока энергии, и
они представляют собой движение,
быстро затухающее вдоль стержня.
Н. в. ненулевых, номеров характери-
характеризуются сложным распределением сме-
смещений (с узлами и пучностями). цр
поперечному сечению стержня и силь-
сильной зависимостью сФ и сгр скоростей
от md!ct. ¦ .
Н. в. с более сложным упругим по-
полем могут существовать в любых ог-
ограниченных твёрдых телах (изогну-
(изогнутые пластины и стержни, многослой-
многослойные волноводы, состоящие из нес-
нескольких склеенных пластин, пласти-
пластины и стержни, вырезанные из кристал-
кристалла, и т. д.).
Н. в. всех типов широко исполь-
используются в физике и технике в частот-
частотном диапазоне от нескольких кГц до
сотен МГц. Различными аспектами их
использования являются: определение
упругих и прочих параметров твёр-
твёрдых тел, имеющих форму пластинок
и стержней, УЗ-вая дефектоскопия
(контроль проволок, стержней, листо-
листовых заготовок и конструкций), изме-
измерение уровня жидкости в закрытых
сосудах, дисперсионные УЗ-вые линии
задержки, системы обработки электри-
электрических сигналов (см. Акустоэлектро-
ника).
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мззона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966,
гл. 2; Кольский Г., Волны напряже-
напряжения в твердых телах, пер. с англ., М., 1955;
Викторов И. А., Физические основы
применения ультразвуковых волн Рэлея и
Лэмба в технике, М., 1966, гл. 2; Берг-
Бергман Л., Ультразвук и его применение в
науке и технике, пер. с нем., М., 1956, ч. 2,
гл. 5. И. А. Викторов.
НОРМАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
(собственные колебани я)—
гармонические свободные колебания
линейных колебательных систем.
В каждом Н. к. все точки системы
колеблются синфазно или противофаз-
но с одной и той же частотой (собст-
(собственная частота), к-рая, так же как
и распределение амплитуд колебаний
разных точек системы, определяется
параметрами системы (напр., массами
точек и коэфф. упругости соединяю-
соединяющих их пружин в дискретных колеба-
колебательных системах), а в сплошных ко-
колебательных системах — характери-
характеристиками среды и граничными условия-
условиями. Число различных Н. к. данной
колебательной системы, а следователь-
следовательно, и число различных собственных
частот равно числу колебательных
степеней свободы в этой системе.
В сплошных колебательных системах
238
ньютон
Н. к. есть не что иное, как стоячие
волны, а собственные частоты образу-
образуют бесконечную дискретную после-
последовательность соответственно беско-
бесконечному числу возможных Н. к. сис-
системы. Напр., собственные частоты
продольных Н. к. тонкого стержня
со свободными концами равны:
/„ = пс/21,
где п—номер Н. к., / — длина стер-
стержня, с — скорость продольных волн
в стержне.
Все Н. к. независимы в том смысле,
что специальным выбором начальных
условий можно создать только одно
(любое) из всех свойственных систе-
системе Н. к. Но при произвольных началь-
начальных условиях в общем случае возни-
возникают одновременно все Н. к. ив каж-
каждом из этих колебаний участвуют все
колебательные степени свободы. Ре-
Результирующее колебание, представ-
представляющее собой сумму всех возникших
Н. к., уже не является гармоничес-
гармоническим. Значения амплитуд и начальных
фаз всех Н. к. определяются началь-
начальными условиями.
Резонанс в колебательной системе
возникает при совпадении частоты
гармонич. внешней силы с одной из
собственных частот. Т. о., состав Н. к.,
свойственных данной системе, су-
существенно определяет черты как сво-
свободных, так и вынужденных колеба-
колебаний в данной системе. Если в системе
есть поглощение энергии, то Н. к.
не являются строго гармоническими,
но если доля поглощённой энергии
за один период Н. к. мала, то они
представляют собой экспоненциально
затухающие колебания; при очень
больших поглощениях энергии Н. к.
становятся апериодическими.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959, гл. 6, § 9; Стретг
Д ж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер.
с англ., i изд., т. 1, М., 1955, гл. 4, § 86.
НЬЮТОН — единица силы в сис-
системе СИ; равен силе, сообщающей те-
телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2 в нап-
направлении действия силы. 1 кгс =
=9,80665 Н; 1 дин = 10 Н.
О
ОБЕДНЁННЫЙ СЛОЙ — область
полупроводника, обеднённая основ-
основными носителями заряда и обла-
обладающая поэтому сильно повышен-
повышенным электрич. сопротивлением. О. с.
возникает вблизи р—п-перехода, кон-
контакта полупроводника с металлом
или другим полупроводником (т. н.
запирающий слой). Он может созда-
создаваться диффузией в низкоомный полу-
полупроводник компенсирующей приме-
примеси с носителями противоположного
знака, а также непосредственным оса-
осаждением тонкого слоя высокоомного
полупроводника на поверхности низ-
коомного образца. Если приложить
внешнее электрич. напряжение к по-
полупроводниковому образцу, в к-ром
имеется О. с, то практически всё на-
напряжение будет падать на этом слое;
толщина его зависит от концентра-
концентрации примесей по обе стороны от О. с.
и от приложенного напряжения. Это
явление используется при создании
высокочастотных пьезополупроводнико-
пьезополупроводниковых преобразователей.
ОБЪЕМНАЯ ВЯЗКОСТЬ — вели-
величина, феноменологически характери-
характеризующая процесс диссипации энергии
при объёмных деформациях среды.
Коэфф. О. в. ? иногда наз. также вто-
вторым коэфф. вязкости или просто
второй вязкостью, для того
чтобы подчеркнуть её отличие от
коэфф. обычной стоксовой вязкости
т), к-рую наз. также сдвиговой
вязкостью. Коэфф. поглощения
звука в вязкой среде равен: а =
= г^5 D 'Ч + ?)' где Р—плотность сре-
среды, с — фазовая скорость звуковой
волны, о) — круговая частота. В от-
отличие от сдвиговой вязкости, харак-
характеризующей необратимую передачу
энергии поступательного движения
среды от одних слоев к другим, О. в.
характеризует квазиравновесный об-
обмен энергией между поступательными
ОБЪЁМНАЯ СКОРОСТЬ
239
и внутренними степенями свободы
в каждой частице вещества, т. е. ре-
релаксационный процесс в его низко-
низкочастотной области (сот С 1, где т —
время релаксации).
При повышении частоты коэфф.
поглощения, обусловленный релакса-
релаксационным процессом, перестаёт за-
зависеть от частоты квадратично, рост
его замедляется и коэфф. поглощения
звука на единицу длины асимптоти-
асимптотически стремится к постоянной вели-
величине. Поэтому, если условие сот «С 1
не выполняется, говорить об О. в.
можно только условно, приписывая
коэфф. О. в. частотную зависимость:
Ь
где с0 — скорость УЗ-вой волны при
малых частотах сот <$; 1, когда равнове-
равновесие успевает полностью восстановиться
за период звуковой волны, а сю —
скорость УЗ при больших частотах
мт > 1, когда релаксационный про-
процесс не успевает пройти за период
волны.
Коэфф. О. в. вычисляют по раз-
разности между экспериментально из-
измеренным значением коэфф. погло-
поглощения УЗ и тем его значением, к-рый
дает классич. теория. Величина О. в.
зависит от темп-ры и давления: она
обычно уменьшается при повышении
темп-ры и увеличивается при повыше-
повышении давления. Большинство жидкостей
обладает О. в. (см. табл.).
Значения т) и ?/ч для
некоторых жидкостей
Жидкость
Г °С
¦П.пуаз
11ч
Вода
Глицерин
Хлористый цинк
Хлористый натрий .
Хлористое серебро .
Бензол
Сероуглерод ....
15
— 14
315
888
571,5
20
20
0,011
116
38
1,15
1,76
0,0065
0,0036
2,81
1,03
0,78
20,8
27 0
130
1600
В газах отношение ?/г| быстро рас-
растёт с понижением темн-ры.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф-
ш иц Е. М., Механика сплошной среды,
2 изд., М., 1953, § 78; Физическая акусти-
акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2,
ч. А, М.. 1968. А. Л. Полякова.
ОБЪЕМНАЯ СКОРОСТЬ — поток
колебательной скорости через данную
поверхность. О. с. V выражается
ф-лой: V = J J vndS, где v — вектор
s
колебательной скорости частиц в дап-
ной точке поверхности, п — единич-
единичный вектор нормали к поверхности
и этой точке, dS — элемент площади
поверхности S, для к-рой вычисля-
вычисляется О. с. Для излучателя нулевого
порядка в виде пульсирующего тела
О. с. через поверхность тела равна
скорости изменения его объёма. Для
излучателя в виде колеблющейся
диафрагмы в жёстком экране О. с.
равна скорости вытеснения среды.
При поршневом излучении, т. е.
при синфазном колебании всей излу-
излучающей поверхности с одинаковой
амплитудой нормальной составляющей
колебательной скорости во всех точ-
точках, О. с. равна этой составляющей,
умноженной на площадь излучающей
поверхности.
Для излучателя нулевого порядка
с размерами, малыми по сравнению
с длиной волны, О. с. через его
поверхность практически совпадает
с производительностью излучателя,
и давление в поле такого излучателя
можно выразить через О. с. V(t) ф-лой:
где рис — плотность среды и ско-
скорость звука в ней, а г — расстояние
от излучателя. Для гармонич. про-
процесса V = Voe~iat эта ф-ла принимает
вид:
где Fo — амплитуда О. с, равная
в этом случае производительности
источника звука.
О. с. сферич. излучателя, соверша-
совершающего любое нормальное колебание,
кроме монопольного (пульсирующего),
равна нулю (см. Излучение звука): поток
скорости на одной части излучающей
поверхности компенсируется потоком
противоположного знака на другой
части поверхности. О. с. квадруполя
и мультиполеи высших порядков вооб-
вообще нулю не равна. При распростра-
распространении звука по каналам, образован-
образованным соединениями труб с разными
поперечными размерами, граничным
условием на стыках этих труб явля-
является равенство О. с. по обе стороны
сечения, проведённого через стык.
В системе СИ О. с. измеряется в м3/с,
а в системе СГС — в см3/с
Лит.: Ржевкин С. Н., Курс лекций
по теории звука, М., 1960; Исакович
М. А., Общая акустика, М., 1973.
М. А. Исакович.
240
ОМ АКУСТИЧЕСКИЙ
ОМ АКУСТИЧЕСКИЙ -употреб-
-употреблявшееся ранее название единицы
акустич. сопротивления (см. Импе-
Импеданс акустический) в системе единиц
СГС. 1 Ома. = l^fff = 1 г/см*-с.
ГОСТом не рекомендован.
ОМ МЕХАНИЧЕСКИЙ — употреб-
употреблявшееся ранее название единицы ме-
механического сопротивления (см. Им-
Импеданс акустический) в системе еди-
единиц СГС. 1 Омм.= 1 дин-с/см = 1 г/с.
ГОСТом не рекомендован.
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА — явление,
возникающее при падении звуковой
волны на препятствие и состоящее
в образовании волны, распространя-
распространяющейся от препятствия обратно в сре-
среду, из к-рой пришла падающая вол-
волна. В узком смысле термином «О. з.»
пользуются в случаях, когда поведе-
поведение волн удовлетворяет законам гео-
геометрической акустики. Если законы
последней неприменимы (препятствия
малы по сравнению с длиной вол-
волны звука, шероховатые препятствия
и т. д.), то говорят О рассеянии зву-
звука или дифракции звука на препят-
препятствии.
Законы геометрич. акустики дают
только направление отражённой вол-
волны («угол падения равен углу отраже-
отражения»). Чтобы определить форму от-
отражённой волны, необходимо обра-
обратиться к волновой картине, основные
черты к-рой можно рассмотреть на
примере плоских волн (в жидкой или
газообразной среде), падающих на
плоское однородное препятствие.
В этом случае отражённая волна так-
также плоская.
Наличие препятствия налагает оп-
определённые требования на суммарное
поле падающей и отражённой волн,
к-рые должны выполняться на грани-
границе препятствия в любой момент вре-
времени — т. н. граничные условия.
В силу этих условий необходимо,
лтобы «следы» падающей и отражён-
отражённой волн (т. е. поля этих волн на гра-
граничной поверхности) «бежали» по
границе в одном направлении и с оди-
одинаковой скоростью. Отсюда следует,
что направление распространения от-
отражённой волны лежит в плоскости
падения, а углы скольжения падаю-
падающей 8 и отражённой 6i волн (рис.)
-равны между собой (первый закон
¦Снеллиуса: 6 = 6i). Иногда вместо
-углов скольжения рассматривают уг-
углы между направлениями распро-
распространения волн и нормалью к грани-
границе: угол падения i и угол отраже-
отражения j'i, дополняющие углы скольже-
скольжения до прямого
угла; при этом
первый закон
Снеллиуса фор-
формулируется как
i = h.
Если плос-
плоскость z = 0 —
граница пре-
препятствия, ось z
направлена в
сторону пре-
препятствия, а ось
х расположена
в плоскости па-
падения, то зву-
звуковое давление pi в падающей волне
равно:
Схема отражения и
прохождения волн че-
через границу сред I
и II.
cos 9
sin 9
A)
где с — скорость звука в среде, t —
время, ар — ф-ция, определяющая
профиль падающей волны. Согласно
закону Снеллиуса, в отражённой вол-
волне давление
¦~ /. cos 6 .
P P[tX
где ф-ция р, вообще отличная от р,
определяет профиль отражённой вол-
волны. Если на границе препятствия
ф-ции р и р различаются только по-
постоянным множителем, так что
= Vp[t-
cos 6
sin 9
то отражение наз. правильным,
а постоянный множитель V наз. коэфф.
отражения (по давлению). Напр., для
абсолютно жёсткого препятствия (гра-
(граничное условие на препятствии —
нормальная компонента суммарной
скорости частиц среды обращается в
нуль) отражение любой падающей пло-
плоской волны правильное, с коэффициен-
коэффициентом отражения 7=1. Для свободной
границы, т. е. абсолютно мягкой по-
поверхности (граничное условие — сум-
суммарное давление на границе равно
нулю), отражение любой плоской вол-
волны также правильное, с коэфф. от-
отражения V = —1.
О. з. от препятствий, характери-
характеризуемых импедансом акустическим,
всегда неправильное, и понятие коэфф.
отражения для таких препятствий
ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА
241
неприменимо. Однако для гармония,
плоских волн изменение профиля при
отражении сводится только к нек-ро-
му сдвигу фазы и изменению ампли-
амплитуды, поэтому пользоваться понятием
коэфф. отражения для гармония, волн
можно.
Для препятствий с чисто активным
импедансом, напр, для звукопогло-
звукопоглощающих стенок, значение V убывает
при повышении частоты, и поэтому
при отражении от таких препятствий
волн сложного состава их спектр обед-
обедняется в высокочастотной части, в ре-
результате чего и меняется форма волны.
Для препятствий с чисто реактивным
импедансом, используя комплексную
запись падающей волны
- Itut + Ik cos Од- + ill sin Qz /o\
Pi = e , B)
отражённную волну можно предста-
представить в виде:
Р, =
Z — PC/SHI в - itot+ lltdx - ik sin Qz
Z + pc/sin в
, C)
где р — плотность среды, к — вол-
волновое число, (о — частота волны, а
Z — реактивный импеданс препятст-
препятствия для заданной частоты и заданного
угла скольжения падающей волны.
Формально можно описать отражение
гармонич. волн как правильное, но
с комплексным коэфф. отражения
Z +
. Фаза этого коэфф. от-
ражения равна сдвигу фазы отражён-
отражённой волны относительно падающей
на границе препятствия. Изменение
формы волны сложного состава обус-
обусловлено в этом случае именно появле-
появлением добавочной фазы её спектраль-
спектральных компонент при отражении.
Пользуясь законом отражения гар-
гармонич. волн, можно найти отражение
для падающей волны любого профиля,
когда отражение неправильное. Для
этого достаточно разложить падаю-
падающую волну в гармонич. спектр, от-
отразить каждую компоненту согласно
ф-ле C) и затем сложить все отражён-
отражённые компоненты.
Граница двух сред также является
препятствием для звуковых волн, ес-
если плотности или сжимаемости (или
и те и другие) сред различны. На та-
такой границе наряду с О. з. происходит
и прохождение (преломление) звука:
образование волны, распространяю-
распространяющейся от границы во вторую среду.
В этом случае граничных условий
два: равенство давлений и равенство
нормальных компонент колебательных
скоростей частиц среды по обе сто-
стороны от границы, причём со стороны
первой среды учитывается вклад как
падающей, так и отражённой волн,
со стороны второй среды — про-
прошедшей волны. Следы всех трех
волн должны «бежать» по границе
в одном направлении с одинаковыми
скоростями. Отсюда следует, что на-
направление распространения прошед-
прошедшей волны также лежит в плоскости
падения, а угол скольжения 6' прошед-
прошедшей волны удовлетворяет условию:
cos Q'/с' = cos О/с или cos 9'=— cos9,
где с' — скорость звука во второй
среде, а п = с/с' — коэфф. преломле-
преломления второй среды относительно пер-
первой (второй закон Снеллиуса). Если
отражение и прохождение через гра-
границу двух сред правильные, то при
падении волны A) отражённая рг и
прошедшая pt волны должны выра-
выражаться ф-лами:
sin 6'
Wp{t
cos 9 /n2-cos29
x
x
где V и W — коэфф. отражения и
прохождения соответственно. Поль-
Пользуясь граничными условиями, мож-
можно найти следующие формулы
Френеля для V и W:
У p'c'/sin6'— pc/sin 6 main 6 — nsin6'
p'c7sine'+pc/sine~msin
W=1+7=
т sin 6 — Vn* — cos2 9
т sin 9 + Уп* — cos^S '
2p'c'/sin6'
p'c'/sin в' + pc/sin 9
2msin6 2m sin 9
Здесь p' — плотность второй среды,
a m = p'/p. При нормальном падении
волны @ = 90°) коэфф. отражения
имеет экстремум: максимум при я>1 и
минимум при и<1; при уменьшении
0 величина 7 меняется монотонно:
при и>1 — до значения —1 при
скользящем падении @ = 0), а при
п<Л — до значения +1 при т. н.
критическом угле скольжения 0кр
242
ОЧИСТКА
(cos6Kp= га). При дальнейшем умень-
уменьшении 6 ф-лы Френеля теряют смысл,
т. к. дают для величин V и W ком-
комплексные значения: это означает, что
при углах скольжения падающей вол-
волны, меньших критических, отражение
и прохождение неправильные, т. е.
понятия коэфф. отражения и прохож-
прохождения неприменимы. Для гармонич.
волн, однако, соотношениями D) мож-
можно продолжать пользоваться формаль-
формально при условии комплексной записи
волн. Для падающей волны B) от-
отражённую и прошедшую волны мож-
можно записать в виде:
у - iut + ih cos бд: - ik sin 6*
irr - >u)t + (ft cos вх + (ft \f n2 - cos2 e г
Для закритич. углов F<6Кр)
V =
i sin 9 — i /cos2 9 — n2
m sin 9 + t /cos2 9 — n2
2m sin 9
m sin 9 + i /cos2 9 — n2
Комплексность величин V и W при
закритич. углах означает наличие
сдвига фазы отражённой и прошедшей
волн относительно падающей на гра-
границе сред. Прошедшая волна для за-
закритич. углов превращается в неодно-
неоднородную волну с экспоненциально
убывающей вдоль фронта амплитудой
для к-рой давление уменьшается при
удалении от границы. Такая волна
не переносит энергию во вторую сре-
среду, и поэтому вся энергия падающей
волны отражается обратно, в первую
среду («полное отражение»); действи-
действительно, для закритических углов ко-
коэффициент отражения по модулю ра-
равен единице.
При стремлении 9—^0 V—*—1, а
суммарные поля по обе стороны
границы стремятся к нулю. При
О, удовлетворяющем ур-нию
коэфф. отражения обращается в нуль
и вся энергия падающей волны про-
проходит во вторую среду. Это возмож-
возможно только при выполнении одного из
условий: rny-ri^i или m<ji<C\.
В случае плоского абсолютно жёст-
жёсткого препятствия или для плоской
свободной границы О. з. можно прос-
просто найти для любых, а не только
плоских падающих волн. Пусть пада-
падающая волна создаётся какими угод-
угодно источниками звука. Отражённая
волна совпадает с волнами, к-рые соз-
создали бы в отсутствии препятствия
источники, полученные путём зер-
зеркального отражения действительных
источников в плоскости границы
(т. н. мнимые источники), при со-
сохранении производительности источни-
источников и при их работе в фазе (случай
абсолютно жёсткого препятствия) или
в противофазе (случай свободной гра-
границы) с действительными источниками.
Отражение волн в твёрдых средах
во многом сходно с рассмотренными
выше случаями О. з. в жидких и газо-
газообразных средах, но значительно слож-
сложнее вследствие того, что в твёрдых
телах, помимо волн сжатия, могут
распространяться и сдвиговые волны.
Так, при падении плоской волны од-
ног© из этих типов на препятствие
(напр., на свободную границу или
на границу двух твёрдых сред) воз-
возникают две отражённые и две прошед-
прошедшие волны: по одной волне того же
типа, что и падающая, и по одной вол-
волне второго типа (подробнее см. Уп-
Упругие волны).
Лит.: Бреховских Л. М., Волны
в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; И с а-
кович М. А., Общая акустика, М.,
1973; Ршевкин С. Н., Курс лекций
по теории звука, М., 1960. М. А. Исакович.
ОЧИСТКА ультразвуко-
ультразвуковая — способ очистки поверхности
твёрдых тел, при к-ром в моющий раст-
раствор вводятся УЗ-вые колебания. Вве-
Введение УЗ позволяет не только уско-
ускорить процесс О., но и получить высо-
высокую степень чистоты поверхности, а
также заменить ручной труд, исклю-
исключить пожароопасные и токсичные раст-
растворители. УЗ-вая О. применяется в
машиностроительной, металлургиче-
металлургической, электронной промышленности,
в полупроводниковой технике и в
приборостроении для О. прецизион-
прецизионных деталей точных приборов, часов
и ювелирных изделий, интеграль-
интегральных схем, хирургич. инструментов,
металлокерамич. фильтров, металлур-
гич. проката и др.
Механизм УЗ-вой. очистки. Процесс
УЗ-вой О. обусловлен рядом явлений,
возникающих в УЗ-вом поле значи-
значительной интенсивности: кавитацией,
акустическими течениями, давлением
звукового излучения, звукокапиллярпым
ОЧИСТКА
243
эффектом. Эффективность О. зависит связанных загрязнений происходит в
от параметров звукового поля, оп-
определяемого источниками акустич.
энергии,— частоты колебаний, ин-
интенсивности звука и от физико-химич.
Свойств моющей жидкости — её вяз-
основном под действием пульсирую-
пульсирующих (незахлопывающихся) кавита-
ционных пузырьков. На краях плен-,
ки загрязнений пульсирующие пу-
пузырьки, совершая интенсивные ко-
Ультразвуковая очистка
I Отслоение I Навитационная эрозия I Эмульгирование I Растворени
Статическое
давление
Навигация
Акустические потоки
Радиационное давление
Звукокапиллярнып эффект
л
-I Акустические эффекты 1
Звуковое давление
Частота
| Параметры звукового поля |
| Температура |
1
Химическая активность
Упругость пора
Газосодержание
Поверхностное натяжение
Физические свойства жидкости I
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая взаимосвязь физических факторов,
влияющих на ультразвуковую очистку.
кости, упругости насыщенного пара,
поверхностного натяжения, газосо-
газосодержания. Выбор параметров звуко-
звукового поля и жидкостей с определён-
определёнными свойствами позволяет управ-
управлять явлениями, обусловливающими
УЗ-вую О. На эффективность О. влия-
влияют также внешние факторы, такие,
как темп-pa и гидростатич. давление
в жидкости. В процессе О. происходит
разрушение поверхностных плёнок за-
загрязнений, отслаивание и удаление
загрязнений, их эмульгирование и
растворение. Влияние различных фак-
факторов на механизм УЗ-вой О. и их
взаимосвязь показаны на схеме
(рис. 1). ¦
¦Виды загрязнений. Ис-
Исследования механизма УЗ-вой О. ме-
методом скоростной киносъёмки пока-
показали, что в зависимости от того, на-
насколько прочно загрязнение связано
с очищаемой поверхностью, преобла-
преобладающую роль играют те или иные
процессы. Так, [разрушение слабо
лебания, преодолевают силы сцеп-
сцепления плёнки с поверхностью, про-
проникают под плёнку (рис. 2), разры-
разрывают и отслаивают её. Радиационное
давление и звукокапиллярный эф-
эффект способствуют проникновению
моющего раствора в микропоры, не-
неровности и глухие каналы. Акустич.
течения осуществляют ускоренное
удаление загрязнений с поверхности.
Если же загрязнения прочно связаны
а
Рис. 2. Схема разрушения плёнки загряз-
загрязнения пульсирующими кавитационными
пузырьками: а — начальный момент;
б — момент разрушения.
с поверхностью, то для их разруше-
разрушения и удаления с поверхности необ-
необходимо наличие ••• захлопывающихся
кавитационных пузырьков,, создаю-?
щих микррударное; воздействие на по-
244
ОЧИСТКА
верхность. Поэтому с точки зрения
УЗ-вой О. поверхностные загрязне-
загрязнения можно классифицировать но сле-
следующим признакам: 1) кавитационной
стойкости загрязнений, их способно-
способности противостоять микроударным на-
нагрузкам; 2) прочности связи плёнки
загрязнений с очищаемой поверхно-
поверхностью; 3) степени химич. взаимодей-
взаимодействия загрязнений с моющей жид-
жидкостью, способности последней раст-
растворять или эмульгировать поверх-
поверхностные загрязнения. Наиболее часто
встречающимися видами поверхно-
поверхностных загрязнений являются: жиро-
жировые плёнки, к-рые слабо связаны с
очищаемой поверхностью и химиче-
химически взаимодействуют с водными раст-
растворами, но устойчивы по отношению
к кавитации; лаковые плёнки и крас-
краски, к-рые также кавитационно стой-
стойки, но отличаются прочной связью
с поверхностью; окалина и окисные
плёнки, обладающие кавитационной
стойкостью и прочной связью с по-
поверхностью, они взаимодействуют
лишь с агрессивными жидкостями;
продукты коррозии, также прочно
связанные с поверхностью и взаимо-
взаимодействующие с агрессивными среда-
средами, но кавитационно нестойкие; сла-
слабо связанные с очищаемой поверх-
поверхностью металлич. пыль и шлам после
травления, к-рые кавитационно не-
нестойки и относительно легко удаля-
удаляются.
Роль физик о-х и м и ч е-
ских свойств моющей жид-
жидкости. При УЗ-вой О. необходимо
учитывать свойства материала очи-
очищаемых деталей. Моющая жидкость
по своему составу должна химически
взаимодействовать только с поверх-
поверхностными загрязнениями, но не всту-
вступать в химич. реакции с материалом
деталей во избежание их поврежде-
повреждения. Не следует также применять
УЗ-вую О. в тех случаях, когда кави-
тационная стойкость загрязнений,
напр, пригаров формовочной земли
на поверхности литых алюминиевых
деталей, выше кавитационной стой-
стойкости материала очищаемой детали,
что прежде всего приводит к разруше-
разрушению самой детали.
Существенное влияние на протека-
протекание и развитие в моющих растворах
специфич. явлений, возбуждаемых
УЗ, оказывают физико-химич. свой-
свойства жидкости. Повышение упругости
пара внутри пузырька резко снижает
интенсивность кавитации, поэтому,
напр., применение для УЗ-вой О.
водных растворов более эффективно,
чем применение органич. растворов,
упругость пара в к-рых значительно
выше. Однако при О. поверхности
прецизионных деталей полупровод-
полупроводниковой и электронной техники, где
необходимо снизить микроударные
нагрузки, чтобы исключить поврежде-
повреждение ажурной КОНСТРУКЦИИ, ИСПОЛ5>-
зуют органич. растворители с доста-
достаточно высокой упругостью пара.
Сложным образом на процесс
УЗ-вой О. влияет газосодержание
жидкости: увеличение содержания газа
в пузырьке снижает эрозионную ак-
активность жидкости; с другой стороны,
усиленная дегазация жидкости под
действием акустич. потоков и радиа-
радиационного давления приводит к сокра-
сокращению числа центров кавитации, что
также снижает эффективность' О. Ре-
Регулируя, с одной стороны, процесс
дегазации, а с другой — специально
вводя газ в жидкость, можно достиг-
достигнуть оптимального газосодержания.
В УЗ-вых полях малой интенсив-
интенсивности вязкость жидкости снижает эро-
эрозионную активность, т. к. с ростом
вязкости увеличиваются потери аку-
акустич. энергии. Однако при большой
интенсивности УЗ в сильно вязких
жидкостях (при коэффициенте вязкости
—50—100 Нс/м2) создаются благопри-
благоприятные условия для кавитационных
процессов: силы вязкого трения ана~
логично избыточному давлению пре-
препятствуют расширению кавитацион-
ного пузырька после того, как насту-
наступила стадия сжатия в звуковой волне.
Благодаря этому начальная стадия
сжатия кавитационного пузырька
наступает раньше, совпадая с нача-
началом сжатия волны, повышается ско-
скорость и сокращается время его захло-
захлопывания, возрастает микроударное
воздействие.
На процесс О. влияет также поверх-
поверхностное натяжение жидкости. В ко-
конечной стадии сжатия под действием
возрастающей силы поверхностного
натяжения увеличивается скорость
захлопывания пузырьков и повыша-
повышается микроударное действие кавита-
кавитации. Однако с ростом поверхностного
натяжения повышается порог кави-
кавитации и сокращается число кавита-
кавитационных пузырьков. Кроме того, по-
ОЧИСТКА
245
верхностноо натяжение ухудшает про-
процесс смачивания поверхности очища-
очищаемых деталей, препятствуя проник-
проникновению моющего раствора в узкие
щели, отверстия и зазоры. Оценивая
в целом влияние поверхностного на-
натяжения, в большинстве случаев ре-
рекомендуется уменьшать его величи-
величину в жидкостях, применяемых при
УЗ-вой О. Для этой цели пользуют-
пользуются добавками поверхностно-активных
веществ, к-рыо улучшают смачивае-
смачиваемость поверхности и, создавая тон-
тончайшие адсорбционные слои на по-
поверхности частиц загрязнений, спо-
способствуют более лёгкому их отрыву.
Выбор растворов для УЗ-вой О. оп-
определяется совокупностью изложен-
изложенных факторов.
Для УЗ-вой О. деталей от смазок,
полировочных паст, металлич. пыли,
абразивов и т. д. применяются водные
щелочные растворы, к-рые обладают
рядом преимуществ по сравнению с
органическими: дешевизной, неток-
нетоксичностью, пошаробезопасностью.
В качестве органич. растворителей
используются бензин, четырёххлори-
стый углерод, ацетон, трихлорэти-
лен, фреон и др. Наибольший инте-
интерес для УЗ-вой О. представляют фре-
фреоновые композиции, отличающиеся вы-
высокой растворяющей способностью,
малой токсичностью, взрывобезопас-
ностью и возможностью регенерации.
Для снятия окалины и нагара поль-
пользуются травильными растворами сер-
серной, соляной, азотной и других кис-
кислот различной концентрации в зави-
зависимости от очищаемого металла.
Темп-pa жидкости в пределах 40—
50 °С является для водных раство-
растворов оптимальной. При более низкой
темп-ре снижается химич. активность
раствора, а при более высокой — по-
повышается упругость пара. Если ха-
характер загрязнений требует исполь-
использования органич. растворителей для
О., то, чтобы снизить упругость пара,
целесообразно охлаждать раствори-
растворители до 15—20 °С. Для увеличения
микроударного воздействия при уда-
удалении сильно связанных с поверхно-
поверхностью загрязнений применяется по-
повышенное до 2—4 атм гидростатич.
давление (см. Кавитационная эрозия).
Роль характеристик
звукового поля. Для осущест-
осуществления необходимого режима УЗ-вой
О. необходим также выбор оптималь-
оптимальных значений интенсивности УЗ и
частоты колебаний. С повышением
частоты кавитационный пузырёк не
достигает конечной стадии захлопы-
захлопывания, что снижает микроударное дей-
действие кавитации. Кроме того, увели-
увеличивается поглощение акустич. энер-
энергии. Чрезмерно понижать частоту не-
нежелательно из-за резкого возрастания
шума, а также увеличения резонанс-
резонансных размеров излучателя. Поэтому
большинство установок УЗ-вой О.
работает в диапазоне частот от 18
до 44 кГц. Повышение интенсивности
УЗ сверх определённого предела при-
приводит к увеличению амплитудного
значения давления, и кавитационный
пузырёк вырождается в пульсирую-
пульсирующий. При слишком малых интенсив-
ностях слабо выражена кавитация и
все вторичные эффекты, возникающие
в жидкости при введении УЗ-вых ко-
колебаний и определяющие эффектив-
эффективность О. Поэтому интервал интенсив-
ностей составляет при УЗ-вой О. от
0,5 до 10 Вт/см2.
Ультразвуковые установки для
очистки. Конструктивные особенности
установок для УЗ-вой очистки весь-
весьма разнообразны и определяются фор-
i /
Л
3
1
*
8
Рис. 3. Схема устройства ультразвуковой
ванны: 1 — ванна с моющим раствором;
2 — преобразователь; 3 — излучающая
диафрагма; 4 — бачок для охлаждения
преобразователя проточной водой.
мой и размерами очищаемых деталей,
видами загрязнений, требованиями к
качеству поверхности и производи-
производительности. Основным элементом кон-
конструкции УЗ-вой установки является
ванна. В зависимости от назначения
объём ванн может составлять от 0,2 л
до сотен л, мощность УЗ — от 50
Вт до десятков кВт. В простейшей и
наиболее употребительной конструк-
конструкции установки (рис. 3) дном ванны
246
ОЧИСТКА
служит излучающая диафрагма 3,
колебания к-рой создаются преобра-
преобразователем 2. В относительно маломощ-
маломощных установках применяются пьезо-
1,3 4 5
Рис. 4. Схема механизированной ультра-
ультразвуковой ванны: 1 — корпус ванны; 2 —
преобразователи; з — загрузочные сет-
сетчатые барабаны; 4 — привод; S — пульт
управления.
электрические преобразователи из
пьсзокерамики, а в мощных — маг-
питостр икционные преобразователи.
Питание преобразователей осуществля-
осуществляется в зависимости от требуемой мощ-
мощности транзисторными, ламповыми,
тиристорными генераторами. Для обе-
обеспечения равномерности УЗ-вого по-
поля в ванне используются изгибно-
колеблющиеся диафрагмы, возбужда-
возбуждаемые системой распределённых преоб-
преобразователей. В нек-рых конструкциях
для равномерности О. мелких: дета-
деталей применяются их перемещение и
встряхивание с помощью помещаемых
в ванну сетчатых контейнеров-бара-
контейнеров-барабанов (рис. 4).; 'Для 0., глубоких от-
отверстий или локальной О. отдельных
Рис. 5. Устройство для с
очистки глубоких отвер-
отверстий: 1 — волновод;
2 — диафрагма; 3 — маг-
нитострикционный пре-
преобразователь; 4 — кор-
корпус; 5 — штуцер для
подачи моющей жидко-
жидкости; 6" — курок-выклю-
курок-выключатель; 7 — рукоятка.
деталей применяются преобразова-
преобразователи с волноводами-концентраторами,
оформленные в виде ручных инстру-
инструментов (рис. 5). Специальные резонан-
резонансные волноводы применяются также
для введения УЗ в химически актив-
активные моющие среды. Современные про-
промышленные установки являются слож-
сложными устройствами, включающими
системы автоматич. загрузки и выгруз-
выгрузки деталей, подогрева, фильтрации и
регенерации моющего раствора, до-
ЩШ I Эпюра смещений
Рис. 6. Схема ус-
установки для уль-
ультразвуковой очи-
очистки внутренних
полостей труб:
1 — ультразвуко-
ультразвуковой концентратор; 2
2 — инструмент;
3 — труба; 4 —
полуволновая
опора; s — пре-
преобразователь.
полнительные ванны для удаления
загрязнений без применения УЗ,
устройства для сушки деталей.
Для очистки внутренних полостей
труб (рис. 6) используется контакт-
контактный метод УЗ-вой О. Источником ко-
колебаний служит магнитострикцион-
ный преобразователь большой мощ-
мощности D кВт). Очищаемая труба
пневматически зажимается между ци-
линдрич. волноводом и полуволновой
опорой и постепенно перемещается.
Проток моющего раствора по внут-
внутренней полости трубы осуществля-
осуществляется насосом. Длинные трубы поме-
помещаются соосно в кольцевые излуча-
излучатели, в к-рых они перемещаются. Ес-
Если необходимо одновременно очистить
и наружную поверхность, то труба
Вход
Рис. 7. Схема ультразвуковой ванны для
очистки стальной полосы при поточном
производстве: 1 — ванна с щелочным
раствором; 2 — движущаяся полоса;
стали; 3 — блоки с преобразователями.
ПАРАМАГНЕТИКИ
247
помещается в ванну с раствором. На
металлургия, предприятиях приме-
применяется УЗ-вая О. поверхности поло-
полосовой стали от различных технология,
загрязнений (масла, окисных плёнок
и т. д.). Полоса стали шириной более
метра, движущаяся в потоке со ско-
скоростью 100—150 м/мин, проходит че-
через УЗ-вую ванну (рис. 7), где с двух
сторон полосы встроены магнитост-
рикционные преобразователи.
Травление под действием ультра-
ультразвука. Травление в УЗ-вом поле мож-
можно рассматривать как разновидность
УЗ-вой О. Введение УЗ-вых колебаний
в травильные растворы в несколько
раз ускоряет процесс травления. В
качестве материала для волноводов,
передающих колебания в раствор, при
этом используются титановые спла-
сплавы ВТЗ, ВТ9, обладающие повышен-
повышенной кавитационно-коррозионной стой-
стойкостью. Однако при длительной рабо-
работе требуется частая смена волноводов
из-за их разрушения в кислотных
растворах. При УЗ-вом травлении
металлов используется также следую-
следующий способ: окисная плёнка предва-
предварительно разрушается в воде при воз-
воздействии УЗ под избыточным статич.
давлением 3—4 атм. Захлопывающиеся
кавитационные пузырьки частично
разрушают окалину и образуют в ней
множество трещин и пор. Затем про-
производится химич. травление без УЗ
с обязательным введением в травиль-
травильный раствор пузырьков воздуха для
интенсивного перемешивания раство-
раствора. Образовавшийся шлам удаляется
затем при воздействии УЗ в обычных
водных растворах. Продолжитель-
Продолжительность травления сокращается в два
раза при полном удалении окалины,
что позволяет значительно повысить
производительность травильных уста-
установок.
Лит.: Физические основы ультразвуко-
ультразвуковой технологии, М., 1970; Агранат
Б. А. и др., Ультразвуковая техноло-
технология, М., 1974; П о п и л о в Л. Я., Сове-
Советы заводскому технологу, Л., 1975; Бро-
Брони н Ф. А., Чернов А. П., Ультра-
Ультразвуковая очистка деталей во фреоновых
композициях, М., 1978. Б . А. Агранат,,
п
ПАЙКА ультразвукова я—
См. Металлизация и пайка.
ПАРАМАГНЕТИКИ — вещества, в
к-рых под действием магнитного по-
поля возникает намагниченность, при-
примерно пропорциональная напряжён-
напряжённости поля и совпадающая с ним по
направлению.
Магнитные свойства П. обусловлены
микроскопич. постоянными магнит-
магнитными моментами, носителями к-рых
являются входящие в состав П. ато-
атомы, ионы, молекулы, свободные элек-
электроны и пр. В отсутствии внешнего
магнитного поля ориентация микро-
микроскопич. магнитных моментов случай-
случайна, поэтому их магнитные ноля взаим-
взаимно компенсируются и результирую-
результирующая намагниченность равна нулю.
Внешнее магнитное поле Н ориен-
ориентирует микроскопич. магнитные мо-
моменты, что и приводит к возникнове-
возникновению намагниченности М вещества
в целом; при этом М = х Н, где у. —
магнитная восприимчивость, к-рая в
П. всегда положительна.
Ориентация микроскопич. магнит-
магнитного момента ц в поле Н может при-
принимать ряд дискретных значений,
число к-рых ограниченно (в простей-
простейшем случае таких ориентации только
две: по нолю Н или против поля).
Каждой из возможных ориентации
соответствует определённая энергия
взаимодействия парамагнитной мик-
микрочастицы с магнитным полем, рав-
равная /j = —|хнЯ, где и,н — проекция
момента ц на направление Н. Рас-
Распределение парамагнитных частиц но
энергетич. уровням «?$ устанавливает-
устанавливается в результате совместного дейст-
действия ориентирующего поля Н и хаотич.
теплового движения атомов П., нару-
нарушающего создаваемое полем упорядо-
упорядочение микроскопич. магнитных момен-
моментов (см. Спин-фононное взаимодейст-
взаимодействие). Число частиц »цс энергией /j («на-
(«населённость» i-ro уровня) и соответ-
248
ПАСКАЛЬ
ствугощей ориентацией магнитного мо-
момента равно: и; ~ ехр(—^,/къТ) (рас-
(распределение Больцмана), где Т — аб-
абсолютная темп-pa вещества и кв —
Больцмана постоянная. Эта формула
позволяет найти намагниченность М,
к-рая в простейшем случае двух
энергетич. уровней Л и g^ определя-
определяется разностью их «населённостей».
При достаточно высоких темп-рах
&Б ^>|Л — #г\\ отсюда следует, что
величина % пропорциональна 1/Г
(закон Кюри).
Природа микроскопич. магнитных
моментов в первую очередь связана
с магнитными свойствами электронов,
входящих в состав атомов, ионов или
молекул. Каждый электрон обладает
постоянным магнитным моментом, свя-
связанным с его собственным механич.
моментом количества движения (спи-
ном); кроме того, электрон может об-
обладать дополнительным магнитным
моментом, обусловленным орбиталь-
орбитальным движением электрона вокруг яд-
ядра. Электроны, образующие в атоме
(ионе, молекуле) заполненную обо-
оболочку, всегда имеют равное число
противоположно направленных спи-
спинов, к-рые взаимно компенсируют
своя магнитные моменты, поэтому
атомы инертных газов, а также боль-
большинство химически стабильных ио-
ионов и молекул (напр., Na+, С1~, А13+,
О2", Н2О, С6Н6) диамагнитны (если пре-
пренебречь очень слабым парамагнетиз-
парамагнетизмом атомных ядер). Атомы элементов
переходных групп периодич. системы
элементов: группы железа (Ti, V,
Сг, Mn, Fe, Co, Ni, Си), групп пал-
палладия и платины, редких земель и
актинидов — имеют незаполненную
внутреннюю электронную оболочку с
нескомпенсированными спинами, поэто-
поэтому выше темп-ры магнитного упорядо-
упорядочения (Кюри точки или точки Нее ля)
соединения этих элементов являются,
как правило, П. Парамагнитные ионы
атомов элементов переходных групп
играют важную роль в явлении аку-
акустического парамагнитного резонанса.
П. являются также многие металлы
и полупроводники, где носителями
постоянных магнитных моментов мо-
могут быть свободные электроны и па-
парамагнитные примеси, а также раст-
растворы парамагнитных солей и нек-рые
газы (напр., О2).
В веществах, не обладающих элек-
электронным парамагнетизмом, опреде-
определённую роль могут играть и гораздо
более слабые магнитные моменты атом-
атомных ядер, обладающих спином (напр.,
ХН, 35С1, 79Вг, leF). В кристаллах, у
к-рых парамагнетизм обусловлен маг-
магнитным моментом ядер, может на-
наблюдаться акустический ядерный маг-
магнитный резонанс. Для научных и
прикладных целей часто пользуются
«разбавленными» П., состоящими из
диамагнитной основы, в к-рую введе-
введена небольшая примесь парамагнит-
парамагнитных ионов (напр., А12О3 с примесью
ионов Сг3+ — рубин; MgO с примесью
Fe2+). В. А. Ацаркин.
ПАСКАЛЬ — единица звукового дав-
давления в системе СИ, обозначается Па.
В П. выражаются среднеквадратичное,
амплитудное и мгновенное значения
звукового давления. Один Па соот-
соответствует единице давления один
ньютон на квадратный метр (Н/м2).
Раньше единица Па наименования не
имела и обозначалась Н/м2. Употребля-
Употребляется также внесистемная единица бар
A бар = 105Па).
ПЕРИОД КОЛЕБАНИЙ — длитель-
длительность одного полного цикла колеба-
колебаний данного периодич. процесса, т. е.
процесса, повторяющегося через рав-
равные промежутки времени. П. к. Т
связан с частотой колебаний j соотно-
соотношением: Т = V/ = 2я/ш (со — циклич.
частота). В обобщённом смысле тер-
термин «П. к.» относят и к процессам,
периодически повторяющимся в про-
пространстве («пространственный период»),
ПИРОЭЛЕКТРИКИ — кристаллич.
диэлектрики, на поверхности к-рых
при нагревании или охлаждении воз-
возникают электрич. заряды. См. Пиро-
Пироэлектричество.
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — возник-
возникновение электрич. зарядов на поверх-
поверхности кристаллич. диэлектриков при
их нагревании или охлаждении. При
этом один конец пироэлектрика при
нагревании заряжается положитель-
положительно, а при охлаждении — отрицатель-
отрицательно, другой — соответственно наобо-
наоборот. Степень электризации зависит от
быстроты изменения темп-ры. Плот-
Плотность заряда известных пироэлект-
риков, как правило, не превышает
нескольких сотен абсолютных еди-
единиц заряда на 1 см2 (~10~4 Кл/м2).
Появление зарядов на поверхности
пироэлектрика связано с изменением
его самопроизвольной (спонтанной,
т. е. существующей в отсутствии элек-
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ
249
трич. поля) поляризации при нагре-
нагревании кристалла. В обычных услови-
условиях на поверхности пироэлектрика не
наблюдается поляризационных заря-
зарядов. Это связано с тем, что под дей-
действием внутреннего поля Е в таком
диэлектрике возникает слабый ток,
к-рый течёт до тех пор, пока свобод-
свободные заряды, образующиеся на поверх-
поверхности, но скомпенсируют полностью
поляризационные заряды и не приве-
приведут к исчезновению поля внутри
кристалла. Так же действуют и ионы,
оседающие на поверхность диэлект-
диэлектрика из воздуха. При быстром изме-
изменении темп-ры кристалла на AT его
спонтанная поляризация Рот изме-
изменяется на АРп
а на поверхно-
поверхности появляется заряд с плотностью
От = Д^от = РтДГ (Рт — ПирОЭЛеК-
трич. константа, индекс т обознача-
обозначает направление одной из кристалло-
графич. осей). Со временем этот заряд
компенсируется свободными заряда-
зарядами (если темп-pa кристалла останется
постоянной).
Механизм пироэлектрич. эффекта
аналогичен пьезоэффекту (см. Пьезо-
Пьезоэлектричество) и обусловлен дефор-
деформацией кристаллич. решётки, изме-
изменяющей степень спонтанной поляри-
поляризации кристалла и возникающей у
пьезоэлектриков иод действием внеш-
внешней силы, а у пироэлектриков в ре-
результате теплового расширения. Поэ-
Поэтому пироэлектрич. кристалл явля-
является одновременно и пьезоэлектриком.
Спонтанная поляризация у пиро-
пироэлектриков, т. е. дополнительное сме-
смещение зарядов в одном направлении
в отсутствии внешнего электрич. по-
поля, объясняется тем, что дипольный
момент ядерного и электронного за-
зарядов отличен от нуля. Поэтому пи-
роэлектриками могут быть лишь та-
такие кристаллы, в к-рых существует
выделенное направление, остающееся
неизменным при всех преобразова-
преобразованиях симметрии. Этому условию удов-
удовлетворяют лишь 10 кристаллогра-
фич. классов из 32. Наиболее изу-
изученными пироэлектрич. кристаллами
являются турмалин и сегнетова соль.
Для турмалина при темп-ре 20 °С
величина ртяк1,3 СГСЭд/(°С-см2).
Зависимость поляризации Рт от
напряжённости электрич. поля Е у
пироэлектрич. кристаллов имеет вид:
Pm = P<,m + -*-mhEh(m = l, 2, 3),
где -Рот — постоянный вектор, а со-
совокупность величин xmfe составляет
тензор диэлектрич. восприимчивости.
Наличие члена Рвт в ур-нии означа-
означает, что диэлектрик поляризован и в
отсутствии внешнего электрич. поля;
это характерно для пироэлектриков и
сегнетоэлектриков, к-рые являются
особой группой пироэлектриков. Од-
Однако в отличие от сегнетоэлектриков
(см. Сегнетоэлектричество) у классич.
пироэлектриков спонтанная поляри-
поляризация сохраняется постоянной вплоть
до темп-р плавления или химич. рас-
распада кристалла, электрич. пробоя
или механич. разрушения, а зависи-
зависимость Рт от электрич. поля и механич.
напряжений в этих пределах строго
линейна.
Лит. см. при ст. Пьезоэлектричество.
ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ (квант
действия) — одна из основных
постоянных физики; обозначается
h и равна 6,626176-Ю4 Дж-с =
=6,626176-Ю7 эрг-с. С П. п. связано
наличие у частиц волновых свойств,
т. к. импульсу р всякой частицы соот-
соответствует длина волны X = hip, a
энергии частицы g — частота волны
v = «г/А. Если импульс частицы р
велик (напр., велика масса частицы),
то Я—>0 и волновые свойства частицы
становятся несущественными.
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМА-
ДЕФОРМАЦИЯ при воздействии уль-
ультразвука. Пластичность твёрдых
тел —- способность необратимо из-
изменять форму и размеры под дейст-
действием приложенных механич. напря-
напряжений. П. д. происходит при напря-
напряжениях ст выше пороговых сттек и
определяется в основном движением
дислокаций. По мере увеличения ме-
механич. напряжений в материале воз-
возникают новые дислокации, и их плот-
плотность в процессе пластич. деформиро-
деформирования возрастает. В результате вза-
взаимодействия дислокаций друг с дру-
другом растёт их взаимное сопротин-
ление движению, поэтому для даль-
дальнейшей деформации необходимы зна-
значительно большие напряжения, чем.
вначале, т. е. материал упрочняется.
П. д. характеризуется зависимостью
величины деформации 8 от приложен-
приложенного статич. напряжения а. Если на
материал, подвергаемый статич. де-
деформированию, воздействовать УЗ,
создающим переменные напряжения
с амплитудой ат, характер П. д. ме-
250
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ
няется (рис. 1): уменьшаются значе-
значения ст, соответствующие данной де-
деформации, снижается предел теку-
текучести (ттек, т. е. материал становится
более пластичным (эффект Блага—Лан-
генеккера). Такое влияние УЗ на-
наблюдается для различных видов де-
деформации — растяжения, сдвига, из-
изгиба, кручения. При этом разрушение
наступает раньше, чем обычно (без
УЗ), и характер его отличается от
типичного разрушения при статич.
Рис. 1. Влияние ультра-
ультразвуковых напряжений с
амплитудой ат на про-
процесс растяжения алю-
алюминиевого образца: 1 —
без ультразвука (о„ = 0);
г, з, 4 — от ф 0, при-
причём <Jm2<e?m3<«?m4-
20 60 100
ЕЖ
нагружении, приобретая черты уста-
усталостного. Механизм наблюдаемых яв-
явлении связан гл. обр. с увеличением
подвижности дислокаций под дейст-
действием УЗ. Повышение температуры, ко-
которое возникает из-за движения дис-
дислокаций в среде, также влияет на рас-
рассматриваемые эффекты, но в меньшей
степени.
Воздействие на отожжённый металл
(т. е. металл с небольшим содержани-
16
2 4 6 8 10 12 14 16
ат нгс/мм*
Рис. 2. Влияние ультразвука: 1 — на
предел текучести отек (где отек = /o.i) и
2 — на предел прочности ав меди высокой
чистоты в зависимости от амплитуды ме-
механического напряжения от.
ем дефектов) мощных УЗ-вых колеба-
колебаний с амплитудой от>опт (где апт—
пороговая амплитуда УЗ, характер-
характерная для каждого материала, причём
<тпт<0"тек) вызывает упрочнение ма-
материала (рис. 2). Этот эффект зависит
от времени воздействия и постепенно
достигает максимума, т. е. наступает
«насыщение». Механизм его связан
со значительным возрастанием числа
дислокаций под действием УЗ-вых
напряжений. Об этом свидетельствует
возрастание внутреннего трения в ма-
Рис. 3. Схема ус-
, тановки для рас-
' тяжения образца
под действием
ультразвука: 1 —
образец; 2 — уль-
ультразвуковой кон-
концентратор; 3 —
преобразователь;
4 — генератор; б — график распределе-
распределения амплитуды колебаний по длине об-
образца; F — растягивающая сила.
териале и повышение его твёрдости
после воздействия УЗ. При действии
же УЗ на упрочнённый материал про-
происходит разупрочнение, обусловлен-
обусловленное увеличением подвижности дисло-
дислокаций. При длительном воздействии
УЗ на металл после упрочнения на-
наступает разупрочнение, затем снова
упрочнение и т. д.
При воздействии УЗ на статически
деформируемые образцы их длину
выбирают резонансной для исполь-
используемой частоты колебаний (рис. 3).
В этом случае действие УЗ оказыва-
оказывается неоднородным по длине образца—
оно максимально в пучностях на-
напряжений (в узлах колебательных сме-
смещений).
При использовании мощного УЗ
с целью упрочнения материала к об-
образцу прижимается УЗ-вой инстру-
инструмент с постоянной силой N, создаю-
создающей напряжение ст0. В случае нор-
нормальной ориентации колеблющего-
колеблющегося УЗ-вого инструмента относитель-
относительно поверхности образца (рис. 4, а)
при о<стт в течение каждого периода
колебаний происходит его отрыв, от
поверхности образца, обусловливаю-
обусловливающий ударное, импульсное
|" воздействие. При касатель-
касательной ориентации (рис. 4, б)
\
N
'///////////// ///////////У//////
а б
Рис. 4. Схе-
Схема введения
ультразву-
ультразвуковых коле-
колебаний в об-
образец: а —
нормально к
поверхности, б — касательно; N — прижи-
прижимающая сила; стрелками показано направ-
направление колебаний.
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ
251
отрыва инструмента не происходит.
Оба способа введения колебаний в об-
образец используются как для воздей-
воздействия на процессы иластич. деформи-
деформирования, так и для снижения трения
при относительном перемещении двух
тел, одно из к-рых совершает колеба-
колебательные движения (см. Трение).
Описанные эффекты составляют ос-
основу разнообразных технологич. про-
процессов обработки металлов с примене-
применением УЗ. Соотношения величин ст0
и ат могут быть различными. Эффект
воздействия УЗ на пластичность ма-
материала будет проявляться всякий
раз, когда совместное действие на-
напряжений ст0 и ат приводит материал
в состояние предельной пластичности.
цесса. Электрич. мощность, потребля-
потребляемая ими,— от нескольких Вт (де-
(деформирование микропроволоки) до
нескольких кВт (волочение и прокат-
прокатка проволоки и лент, толщина или
диаметр к-рых — единицы мм, воло-
волочение тонкостенных труб диаметром
10—40 мм), амплитуды УЗ-вых ко-
колебаний составляют при этом едини-
единицы — десятки мкм, а частота УЗ —
около 20 кГц.
Основное преимущество П. д. с при-
применением УЗ — возможность дефор-
деформировать хрупкие (напр., Bi) или
очень прочные материалы, к-рые в
обычных условиях не деформируются
или деформируются плохо (обрывы,
растрескивание и т. п.). Кроме того,
в
Рис. 5. а — принципиальная схема установки для волочения труб с применением
ультразвука: 1 —волока; 2— оправка; 3— труба; 4 — ультразвуковой концентра-
концентратор; 5 — магнитострикционный преобразователь; v — скорость протяжки трубы; б и
в — схемы радиально и продольно колеблющихся систем для волочения проволоки:
i — проволока; 2 — фильера; стрелками показано направление колебаний; v —
скорость волочения.
С помощью УЗ выполняются различ-
различные виды обработки металлов давле-
давлением: волочение труб, прутков, про-
проволоки, прессование, прокатка, вы-
выдавливание и т. п. В промышленных
установках для волочения с исполь-
использованием УЗ применяют как радиаль-
радиальные, так и осевые колебания фильеры
(рис. 5). При этом в деформируемом
материале обычно возникают УЗ-вые
напряжения, ориентированные и нор-
нормально, и касательно к его поверх-
поверхности. При волочении, как и при про-
прокатке, наряду с эффектом П. д. под
действием УЗ заметную роль играет
эффект снижения трения. С помощью
стержневых УЗ-вых инструментов, соз-
создающих нормальные к поверхности
материала колебания, осуществляются
плющение, прессование. П. д. с ис-
использованием ударного воздействия
УЗ-вого инструмента применяют с
целью поверхностного упрочнения (см.
Поверхностная обработка металлов),
алмазного выглаживания и в других
подобных процессах.
Конструкции УЗ-вых систем зави-
зависят от особенностей конкретного про-
применение УЗ позволяет снизить
статич. усилия деформирования, т. о
уменьшить вероятность обрыва де-
деформируемого объекта, а также улуч-
улучшить качество поверхности на 1 —
2 класса. Повышение пластичности
при воздействии УЗ позволяет увели-
увеличить степень однократного обжатия
изделия (проволока, труба и т. д.)
примерно на 15—30% и сократить
таким образом рабочий цикл. Удар-
Ударное воздействие УЗ-вого инструмента
является основой устройств для по-
поверхностного пластич. деформирова-
деформирования и снятия остаточных сварочных
напряжений. Этот метод позволяет,
напр., снизить остаточные напряже-
напряжения в сварном соединении в несколь-
несколько раз при скоростях перемещения
УЗ-вого инструмента до 1 м/мин.
Лит.: Харитонович М. В., Эс-
к и н Г. И., Ультразвук в процессах пла-
пластической деформации металлов и сплавов.
Обзор отечественной и зарубежной литера-
литературы 1955—69 гг., М-, 1970; Э с к и н Г. И.,
Ультразвук шагнул в металлургию, 2 изд.,
М., 1975; Северденко В. П., К л у-
бович В. В., Степаненко А. В.,
Ультразвук и пластичность, Минск, 1976.
А. М. Мицкевич.
252
ПЛЁНОЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ПЛЁНОЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВА-
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — магнитострикционный пре-
преобразователь или пъезополупроводни-
ковай преобразователь, который ис-
используется для генерации и приёма
гиперзвуковых волн в твёрдых телах.
В магнитострикционных П. п. тон-
тонкая ферромагнитная плёнка наносит-
наносится, например, напылением в ваку-
вакууме на поверхность звукопровода и
для генерации гиперзвука подверга-
подвергается одновременному воздействию по-
постоянного и переменного магнитных
полей. Для этого обычно плёнка раз-
размещается в пучности магнитного ноля
СВЧ-резонатора, к-рый расположен
между полюсами электромагнита. Ко-
Колебания намагниченности из-за маг-
нитострикции вызывают механич. де-
деформации в плёнке с частотой высо-
высокочастотного магнитного ноля, и в зву-
копровод излучается гиперзвуковая
волна. Для генерации сдвиговых волн
постоянная составляющая вектора маг-
магнитного поля должна лежать в плос-
плоскости плёнки или быть нормальна
к ней, а для генерации продольных
волн — составлять с плоскостью плён-
плёнки угол 45°. Различные моды прецес-
прецессии намагниченности в плёнке могут
реализоваться за счёт ферромагнит-
ферромагнитного резонанса, спин-волнового резо-
резонанса и резонанса полосовых доменов.
В качестве ферромагнитных материа-
материалов применяются Fe, Ni, Co и пермал-
пермаллой. Диапазон генерируемых частот
1 —10 ГГц, что соответствует в слу-
случае продольных гиперзвуковых волн
плёнкам поликристаллич. Ni толщи-
толщиной от 3 мкм до 0,3 мкм. Преимущест-
Преимуществами магнитострикционных П. п.
являются сравнительная простота их
изготовления и отсутствие переход-
переходных слоев между П. п. и звукопрово-
дом, однако необходимость в постоян-
постоянной составляющей магнитного поля
ограничивает их применение. Такое
поле не требуется для пьезополу-
проводниковых плёночных преобразо-
преобразователей.
Пьезополупроводниковый П. п.
выполняется в виде плёнки высоко-
омного иьезополупроводника, осаждён-
осаждённой либо непосредственно на низко-
омный монокристаллич. звукопровод
(эпитаксиальное выращивание), либо
на предварительно металлизирован-
металлизированную поверхность любого другого зву-
звукопровода (рис.), и для эффективной
генерации гиперзвука размещается в
пучности электрич. поля СВЧ-резо-
СВЧ-резонатора. Для получения высокоомных
пьезоактивных плёнок применяется ме-
метод осаждения из паровой фазы, метод
реактивного напыления из атомно-
молекулярного пучка и метод пере-
Схема плёночного
пьезополуцровод-
никового преоб-
преобразователя: 1 —
плёнка пьезопо-
лупроводника;
2 — звукопровод;
S — наружный 5
электрод; 4 —
внутренний элек-
электрод; 5 — высокочастотны:
6 — согласующая
генератор;
индуктивность.
кристаллизации. Электроакустич. ха-
характеристики П. п. зависят как от
кристаллографич. ориентации плён-
плёнки, так и от её удельного электрич.
сопротивления. В идеальном случае
ориентация должна быть однородной
во всей плёнке; напр., в плёнке из
CdS гексагональная ось должна быть
перпендикулярна подложке при из-
излучении продольных волн и парал-
параллельна подложке при излучении сдви-
сдвиговых волн.
Для обеспечения эффективной ра-
работы преобразователя удельное элек-
электрическое сопротивление материала
плёнки должно быть достаточно вели-
велико, чтобы не шунтировать ёмкость
преобразователя.
Наиболее совершенные плёнки по-
получаются методом выращивания из
паровой фазы на ориентирующих под-
подложках. Однако если материал под-
подложки звукопровода недостаточно
низкоомен, то не представляется воз-
возможным сконцентрировать всю под-
подводимую к преобразователю электрич.
энергию в толще высокоомной плён-
плёнки. Плёнки, выращенные на метал-
металлизированных подложках, лучше по-
позволяют сконцентрировать электрич.
поле, но, как правило, такие плёнки
не являются монокристаллическими,
а представляют собой плёночные тек-
текстуры, к-рые обладают несколько
меньшим коэфф. электромеханич. свя-
связи, чем монокристаллич. образцы.
Пьезоактивные плёнки, напр, плён-
плёнки из CdS, осаждённые из паровой
фазы на монокристаллич. кварц, мо-
могут иметь удельное сопротивление
— 1012Ом-см и толщину от 0,03 мкм до
>—и-ПЕРЕХОД
253
9 мкм, что соответствует диапазону
резонансных частот преобразователей
волн продольного типа от 75 ГГц до
250 МГц. Подходящими материалами
для пьезополупроводниковых П. п. яв-
являются также ZnO и Se. Основное пре-
преимущество П. п. перед другими типа-
типами электроакустических преобразо-
преобразователей высокочастотного УЗ-вого и
гинерзвукового диапазонов заключа-
заключается в том, что они могут быть сфор-
сформированы, в принципе, на любом твер-
твердотельном звукопроводе и не требуют
для своего изготовления массивных
монокристаллич. образцов ещё до-
достаточно дорогих пьезополупроводни-
пьезополупроводниковых материалов.
Лит.: С и в и (мл.), Генерация фононов
магнитными пленками, «ТИИЭР», 1965,
т. 53, JSB 10; Ф о с т е р Н. Ф., там же,
с. 1581—88; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 4, ч. А, М., 1969,
гл. 5; Беляев Л. М. и д р., «Радио-
«Радиотехника и электроника», 1967, т. 12, в. 12,
с. 2265—67; Морозов А. И. и др.,
«Физика твердого тела», 1970, т. 12, № 1,
с. 109—13; Так ер Д ж., Рэмптон
В., Гиперзвук в физике твердого тела, М.,
1975, гл. 3. Е. К. Грищенко.
ПЛОСКАЯ ВОЛНА — волна, в
к-рой всем точкам, лежащим в любой
плоскости, перпендикулярной к на-
направлению её распространения, в каж-
каждый момент времени соответствуют
одинаковые смещения и скорости ча-
частиц среды (для упругих волн) или
одинаковые напряжённости электри-
электрических и магнитных полей (для элек-
электромагнитных волн), т. е. все вели-
величины, характеризующие П. в.,—
ф-ции времени и только одной коорди-
координаты, например х, если ось х совпа-
совпадает с направлением распространения
волны.
Строго говоря, ни одна реальная
волна не является П. в., т. к. рас-
распространяющаяся вдоль оси П. в.
должна охватывать всю область про-
пространства, простирающуюся по коор-
координатам г/иг от — оо до -j- °°- Одна-
Однако во многих случаях можно указать
такой ограниченный по у и z участок
волны, на к-ром она почти совпадает
с П. в. Прежде всего это возможно
в свободном пространстве на доста-
достаточно больших расстояниях от источ-
источника. Количественную оценку того,
насколько точно совпадает участок
рассматриваемой волны с П. в., мож-
можно дать только для гармонической вол-
волны. Фаза гармонич. П. в. во всех
точках плоскости, перпендикулярной
В
I
направлению её распространения, од-
одна и та же. Это выполняется для ко-
конечного участка рассматриваемой вол-
волны при условиях, что расстояние от
источника достаточно велико но срав-
сравнению с его размерами, поэтому ис-
источник можно рассматривать как то-
точечный. Если разность расстояний от
источника О до точек А ж В (рис.)
d = Уда -j- г2 — R <ы r2!2R много
меньше длины волны X, то фаза волны
во всех точках
участка плоско-
плоскости, ограничен-
ограниченного окружно-
окружностью радиуса г,
пр иб лизите л ьно
одинакова. Т. о.,
всякую гармо-
нич. волну мож-
можно рассматривать л
как П. в. на участке, для которого
г<У2А^,. Наибольшая ошибка в
фазе, к-рая допускается при этом,
ф = пй/RX. Поскольку эта ошибка за-
зависит от X, то для различных состав-
составляющих спектра негармонич. волны
она различна.
Иногда волна, распространяющая-
распространяющаяся в ограниченной части пространст-
пространства, может приблизительно совпадать
с участком плоской волны (напр.,
упругая волна, распространяющая-
распространяющаяся в стержне).
Лит.: Горелик Г. С, Колебания
и волны, 2 изд., М., 1959, гл. 5, § 2, гл. 7,
§ 3.
р—«-ПЕРЕХОД (электронно-
дырочный переход) в по-
полупроводнике — пере-
переходная область, возникающая на
границе двух полупроводников с раз-
разными типами проводимости: с одной
стороны, проводимость n-типа, а с дру-
другой — р-типа (рис. 1). Перераспре-
Перераспределение носителей тока, возникающее
на такой границе, приводит к тому,
что из нек-рого слоя n-области, лежа-
лежащего вблизи границы, все подвижные
электроны проводимости переходят
в р-область, где они рекомбинируют
с дырками, а из слоя р-области, рас-
расположенного вблизи границы, дыр-
дырки переходят в re-область, где они ре-
рекомбинируют с электронами. В резуль-
результате на границе практически нет сво-
свободных носителей тока — образуется
т. н. обеднённый, или запирающий,
слой. На этом слое появляется внут-
внутренняя разность потенциалов Fo, к-рая
254
ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
препятствует дальнейшему перемеще-
перемещению дырок из р-области в п-область,
а электронов в обратном направ-
направлении. При приложении внешнего
_ напряжения V
0 000 к р - в-П.
|—<*-~| характер про-
~" текания тока
Рис. 1. а — схе-
схема контакта по-
полупроводников р-
и n-типа; стрел-
стрелками обозначено
перетекание элек-
электронов — и ды-
дырок +; б — рас-
распределение элек-
электрического потен-
потенциала Vo на р — п-
переходе.
зависит от полярности: если минус по-
подан на «-область (рис. 2,а), а плюс —на
р-область (прямое смещение), то напря-
напряжение приводит к понижению высоты
потенциального барьера до величины
^о~^ (рис. 2, б); ток при этом с рос-
ростом напряжения растёт. Если же по-
полярность напряжения обратная: минус
подан нар-область (рис. 2, в), а плюс —
на «-область (обратное, или запорное,
смещение), то высота барьера равна
р 1 _
©©©©-*
а
+
+
+
©
Г
а
Р
:
+
+
+
п
р
_-
+ +
++
++
п
h
Рис. 2. Схема включения р—п-перехода:
а — при прямом смещении; б — распре-
распределение электрического потенциала при
прямом смещении; в — схема включения
р —п -перехода при обратном смеще-
смещении; г — распределение электрического
потенциала при обратном смещении.
Vo + V (рис. 2, г) и увеличивается
с ростом напряжения, а ток через пе-
переход не зависит от величины V. Ве-
Величина внутреннего потенциала Fo
зависит от концентрации носителей
тока с обеих сторон от перехода.
р—п-П. используется во многих
полупроводниковых приборах. Из-
Изготавливают их диффузией и ионной
бомбардировкой (плавные переходы)
или вплавлением (резкие переходы).
Лит.: Пик у с Г. Е., Основы теории
полупроводниковых приборов, М., 1965.
А. Л. Полякова.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА
МЕТАЛЛОВ ультразвуком
(ультразвуковое упроч-
упрочнение) — упрочняюще-чистовая об-
обработка деталей машин и приборов
пластич. деформированием поверхно-
поверхности с помощью инструмента, совер-
совершающего колебания с УЗ-вой часто-
частотой. Упрочняюще-чистовая обработ-
обработка поверхности деталей применяет-
применяется с целью повышения их долговеч-
долговечности и надёжности и заключается
в пластич. деформировании, к-рое
уменьшает высоту микронеровностей
и создаёт в поверхностном слое сжи-
сжимающие остаточные напряжения. Обра-
Обработка производится очень твёрдым
наконечником сферич. или цилиндрич.
формы, к-рый прижимается к обра-
обрабатываемой поверхности и перемеща-
перемещается вдоль неё. При обычной обра-
обработке (без УЗ) инструмент при-
прижимается с силой Р = 50—500 кгс,
и форма тонкостенных деталей при
этом искажается. Колебания наконеч-
наконечника с УЗ-вой частотой позволяют
уменьшить Р на порядок. Это обуслов-
обусловлено тем, что при контакте инстру-
инструмента, колеблющегося с УЗ-вой часто-
частотой, и обрабатываемой поверхности
возникает удар, при к-ром мгновенные
значения усилий, носящих импульс-
импульсных характер, во много раз превосхо-
превосходят значения статич. усилий прижима.
При УЗ-воп П. о. м. используют
УЗ-вые инструменты (рис. 1), работаю-
Рис. 1. Схема ус-
устройства для уль-
ультразвукового уп-
упрочнения: 1 — ге-
генератор; 2 — маг-
ннтострикционный
или пьезокерамиче-
ский преобразова-
преобразователь; 3 — волно-
волновод, 4 — деформи-
деформирующий наконеч-
наконечник; 5 — деталь.
щие с частотой 18—44 кГц, амплиту-
амплитудой 8—10 мкм, потребляемой мощ-
мощностью 0,25—0,6 кВт. Сила Р при
этом составляет 8—10 кгс, скорость
движения инструмента вдоль обраба-
обрабатываемой поверхности v = 0,1 —
2,5 м/с. Наконечник изготовляют ив
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ
255
твёрдых сплавов, природных или син-
тетич. алмазов радиусом R = 1—5 мм.
Эффективность действия УЗ объясня-
объясняется снижением сопротивления поверх-
поверхностных слоев металла пластической
деформации и уменьшением коэфф.
трения между поверхностью и нако-
наконечником.
Наиболее целесообразно примене-
применение УЗ-вого упрочнения при обработ-
обработке прецизионных деталей, к-рые имеют
пониженную жёсткость
и при обычных спосо-
способах упрочнения дефор-
4001\ мируются. Применение
300
200
I
D 0,2 0.6
Расстояние от поверхности
Рис. 2. Изме-
Изменения микро-
микротвёрдости в
поверхност-
¦А~ ном слое де-
1,0 мм тали.
УЗ позволяет снизить высоту микроне-
микронеровностей в 8—10 раз, получить высо-
высокую поверхностную микротвёрдость
(рис.2), создать сжимающие остаточные
напряжения в поверхностном слое.Од-
слое.Одновременно при УЗ-войП. о. м. проис-
происходит перераспределение остаточных
напряжений по всей детали, снижают-
снижаются остаточные сварочные напряжения
и уменьшается концентрация напря-
напряжений возле пор, микротрещин и
т. п., что приводит к повышению
коррозионно-усталостной прочности.
УЗ-вая П. о. м. алмазным инструмен-
инструментом обеспечивает повышение предела
выносливости деталей из аустенмтных
и мартенситных сталей на 36—44% по
сравнению с полированием, износо-
износостойкость их возрастает в 1,5 раза.
УЗ-вую П. о. м. производят на обыч-
обычных металлорежущих станках с по-
помощью специальных УЗ-вых головок,
к-рые устанавливают вместо режуще-
режущего инструмента.
Лит.: Коновалов Е. Г., Дроз-
Дроздов В. М., Т я в л о в с к и й М. Д.,
Динамическая прочность металлов, Минск,
1969; Северденко В. П., К л у б о-
вич В. В., Степаненко А. В.,
Ультразвук и пластичность, Минск, 1976;
Применение ультразвука в промышлен-
промышленности, М.— София, 1975. А. И. Маркое.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ —
упругие волны, распространяющиеся
вдоль свободной поверхности твёр-
твёрдого тела или вдоль границы твёрдо-
твёрдого тела с другими средами и затухаю-
затухающие при удалении от границ. П. в. бы-
бывают двух классов: с вертикальной
поляризацией, у к-рых вектор колеба-
колебательного смещения частиц среды в вол-
волне расположен в плоскости, перпен-
перпендикулярной к граничной поверхности
(вертикальная плоскость), и с гори-
горизонтальной поляризацией, у к-рых
вектор смещения частиц среды парал-
параллелен граничной поверхности и пер-
перпендикулярен направлению распрост-
распространения волны.
Простейшими и наиболее часто'
встречающимися на практике П. в.
с вертикальной поляризацией явля-
являются Рэлея волны, распространяющие-
распространяющиеся вдоль границы твёрдого тела с ва-
вакуумом или достаточно разрежен-
разреженной газовой средой. Энергия их лока-
локализована в поверхностном слое тол-
толщиной от к до 2Х, где X — длина волны.
Частицы в волне движутся по эл-
эллипсам, большая полуось w которых
перпендикулярна границе, а малая
и — параллельна направлению рас-
распространения волны (рис. а). Фазовая
скорость волн Рэлея сджО.9 ct, где
ct — фазовая скорость плоской по-
поперечной волны.
Если твёрдое тело граничит с жид-
жидкостью и скорость звука в жидкости
ст меньше скорости cR в твёрдом теле
(это справедливо почти для всех ре-
реальных сред), то на границе твёрдо-
твёрдого тела и жидкости возможно рас-
распространение затухающей волны рэле-
евского типа. Эта волна при распро-
распространении непрерывно излучает энер-
энергию в жидкость, образуя в ней отхо-
отходящую от границы неоднородную вол-
волну (рис. б). Фазовая скорость данной
поверхностной волны с точностью до
процентов равна сд, а коэфф. затуха-
затухания на длине волны —0,1, т. е. на
пути 10Я волна затухает примерно
в е раз. Распределение по глубине
смещений и напряжений в такой вол-
волне в твёрдом теле подобно распреде-
распределению в рэлеевской волне.
Помимо затухающей П. в., на гра-
границе жидкости и твёрдого тела всегда
существует незатухающая П. в., бе-
бегущая вдоль границы с фазовой ско-
скоростью, меньшей скорости сщ волны
в жидкости и скоростей продольных
с; и поперечных ct волн в твёрдом те-
теле. Эта П. в., являясь волной с вер-
вертикальной поляризацией, имеет со-
совершенно другую структуру и ско-
скорость, чем рэлеевская волна. Она
(рис. в) состоит из слабо неоднородной
волны в жидкости, амплитуда к-ройг
256
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ
медленно убывает при удалении от
границы, и двух сильно неоднород-
неоднородных волн в твёрдом теле (продольной
и поперечной). Благодаря этому энер-
энергия волны и движение частиц лока-
локализованы в основном в жидкости, а не
в твёрдом теле. В УЗ-вой практике
подобный тип волны используется
редко.
Если две твёрдые среды граничат
между собой вдоль плоскости н их
плотности и модули упругости не силь-
Кроме П. в. с вертикальной поля-
поляризацией (в основном это волны рэле-
евского типа), существуют волны с го-
горизонтальной поляризацией (волны
Лява), к-рые могут распространяться
на границе твёрдого полупространст-
полупространства с твёрдым слоем (рис. д). Это вол-
волны чисто поперечные: в них имеется
только одна компонента смещения v,
а упругая деформация в волне пред-
представляет собой чистый сдвиг. Смеще-
Смещения в слое (индекс 1) и в полупро-
Схематическое
изображение по-
поверхностных
волн различного
типа (сплошной
штриховкой обо-
обозначены твёр-
твёрдые среды, пре-
прерывистой —
жидкость; х —
направление распространения волны; и, v и го — компонен-
компоненты смещения частиц в данной среде; кривые изображают
примерный ход изменения амплитуды смещений с удалением
от границы раздела сред): а — Рэлея волна на свободной
границе твёрдого тела; б — затухающая волна типа рэле-
евской на границе твёрдое тело — жидкость (наклонные
линии в жидкой среде изображают волновые фронты от-
отходящей волны, толщина их пропорциональна амплитуде
смещений); в — незатухающая поверхностная волна на гра-
! твёрдое тело — жидкость; г — волна Стоили на границе раздела двух твёрдых сред;
д — волна Лява на границе твёрдое полупространство—твёрдый слой.
но различаются, то вдоль границы
может распространяться П. и. Стон-
ли. Эта волна состоит (рис. г) как бы
из двух рэлеевских волн (по одной
в каждой среде). Вертикальная и го-
горизонтальная компоненты смещений
в каждой среде убывают при удалении
от границы так, что энергия волны
оказывается сосредоточенной в двух
граничных слоях толщиной—к. Фа-
Фазовая скорость волн Стоили меньше
значений с\ и ct в обеих граничных
средах.
Волны с вертикальной поляриза-
поляризацией могут распространяться на гра-
границе твёрдого полупространства с жид-
жидким или твёрдым слоем или даже
с системой таких слоев. Если толщина
слоев много меньше длины волны, то
движение в полупространстве при-
примерно такое же, как в рэлеевской вол-
волне, а фазовая скорость П. в. близка
к cR. В общем случае движение может
быть таким, что энергия волны будет
перераспределяться между твёрдым
полупространством и слоями, а фа-
фазовая скорость будет зависеть от ча-
частоты и толщин слоев (см. Дисперсия
скорости звука).
странстве (индекс 2) описываются сле-
следующими выражениями:
= A-eS
— kx),
где t — время, oj — круговая часто-
частота, s1 = ~\/kt? — кг, s2 = }/kz — kt*,
к — волновое число волны Лява,
fctii Щ% — волновые числа попереч-
поперечных волн в слое й полупространстве
соответственно, h — толщина слоя,
.4 — произвольная постоянная. Из
выражений для щ и у2 видно, что сме-
смещения в слое распределены но коси-
косинусу, а в полупространстве — экспо-
экспоненциально убывают с глубиной, Глу-
Глубина проникновения волны в полу-
полупространство меняется от долей к до
многих к в зависимости от толщины
слоя h, частоты а> и параметров сред.
Само существование волны Лява как
П. в. связано с наличием слоя на по-
полупространстве: при А—»0 глубина
проникновения волны в полупростран-
полупространство стремится к бесконечности, и
волна переходит в объёмную.
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
257
Фазовая скорость с волн Лява за-
заключена в пределах между фазовыми
скоростями поперечных волн в слое и
полупространстве cn<^c<^ct2 и опре-
определяется из ур-ния:
где рь р2 — плотности слоя и полупро-
полупространства соответственно, тJ =?= СB2/с2.
Из ур-ния видно, что волны Лява
распространяются с дисперсией: их
фазовая скорость зависит от частоты.
При малых толщинах слоя, когда
(oh/ct2 -*0, tj-*1, т. е. фазовая ско-
скорость волны Лява стремится к фазо-
фазовой скорости объёмной поперечной
волны в полупространстве. При — >1
волны Лява существуют в виде
нескольких модификаций, каждая из
к-рых соответствует нормальной волне
определённого порядка.
На границах кристаллов могут су-
существовать всё те же типы П. в., что
и в изотропных твёрдых телах, толь-
только движение в волнах усложняется.
Вместе с тем анизотропия твёрдого
тела может вносить нек-рые качест-
качественные изменения в структуру волн.
Так, на нек-рых плоскостях кристал-
кристаллов, обладающих пьезоэлектрич. свой-
свойствами, волны типа волн Лява, по-
подобно волнам Рэлея, могут существо-
существовать на свободной поверхности (без
присутствия твёрдого слоя). Это т. н.
электрозвуковые волны
Гуляева — Блюхштейна. Наряду с
обычными волнами Рэлея, в нек-рых
образцах кристаллов вдоль свободной
границы может распространяться
затухающая волна, излучающая энер-
энергию в глубь кристалла (вытекающая
волна). Наконец, если кристалл об-
обладает пьезоэффектом и в нём есть
поток электронов (пьезополупровод-
никовый кристалл), то возможно
взаимодействие поверхностных волн
с электронами, приводящее к усиле-
усилению этих волн (см. Усиление ультра-
ультразвука).
На свободной поверхности жидкости
упругие П. в. существовать не могут,
но на частотах УЗ-вого диапазона и
ниже там могут возникать поверхно-
поверхностные волны, в к-рых определяющи-
определяющими являются не упругие силы, а по-
поверхностное натяжение (это т. н. ка-
капиллярные волны).
Ультра- и гиперзвуковые П. в. ши-
широко используются в технике для все-
всестороннего неразрушающего контро-
контроля поверхности и поверхностного слоя
образца (см. Дефектоскопия), для соз-
создания микроэлектронных схем обра-
обработки электрич. сигналов (см. Акусто-
злектроника) и т. д. Если поверхность
твёрдого образца свободная, то при-
применяются рэлеевские волны. В тех
случаях, когда образец находится
в контакте с жидкостью, с другим
твёрдым образцом или твёрдым слоем,
рэлеевские волны заменяются другим
соответствующим типом П. в.
Лит.: Викторов И. А., Физиче-
Физические основы применения ультразвуковых
волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966,
гл. 1; Ландау Л. Д., Лифшиц
Е. М., Теория упругости, 3 изд., М., 1965
(Теоретич. физика, т. 7), гл. 3, § 24; Физи-
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона и Р.
Терстона, пер. с англ., т. 6, М., 1973, гл. 2;
Бреховских Л. М., Волны в сло-
слоистых средах, М., 1973, гл. 1, § 6, 7; У а й т,
Поверхностные упругие волны. (Обзор),
[пер. с англ.], «ТИИЭР», 1970, т. 58, № 8;
Поверхностные акустические волны — уст-
устройства и применения, [пер. с англ.], там же,
1976, т. 64, Mi 5. И. А. Викторов.
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА — явление
необратимого перехода энергии зву-
звуковой волны в другие виды энер-
энергии, в частности в тепло. П. з. обычно
характеризуется коэфф. П. з. а, оп-
определяемым как обратная величина
того расстояния, на к-ром амплитуда
звуковой волны спадает в е раз. Ам-
Амплитуда плоской звуковой волны,
бегущей вдоль оси х, убывает с рас-
расстоянием как е~
а интенсивность —
как е~2ах. Амплитуда стоячей звуковой
волны после выключения источника
звука убывает со временем как e~"ct,
где с — скорость звука, t — время.
Коэфф. П. з. выражают в см, т. е. в не-
перах на сантиметр или же в децибелах
на см A дБ/см = 0,115 Нп/см). В гид-
гидроакустике часто пользуются единицей
дБ/км. П. з. можно характеризовать
также коэфф. потерь е = аХ/л (где
к — длина звуковой волны) или доб-
добротностью Q = 1/е. Величина <хк наз.
логарифмическим декре-
декрементом затухания.
При распространении звука в сре-
среде, обладающей сдвиговой и объёмной
вязкостью и теплопроводностью, ко-
258
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
[>. П. з. для продольной волны
равен:
где р — плотность среды, ш = 2я/ —
круговая частота звуковой волны,
т) и С — коэфф. сдвиговой и объём-
объёмной вязкости соответственно, х —ко-
—коэфф. теплопроводности, СР и Су —те-
—теплоёмкости среды при постоянном
давлении и объёме соответственно.
В частотной области, где ни один из
коэфф. т), ? и х не зависит от частоты
(низкие частоты), для характеристи-
характеристики П. з. часто пользуются величиной
а//2, к-рая в этом случае также не
зависит от частоты и является пара-
параметром, характеризующим свойства
среды. Значение а//2, как правило,
в жидкостях меньше, чем в газах, а
в твёрдых телах меньше, чем в жид-
жидкостях. Выражение A) для коэфф.
П. з. применимо только для звуковых
волн малой амплитуды. П. з., обус-
обусловленное сдвиговой вязкостью и теп-
теплопроводностью, наз. классическим и
характеризуется коэфф. акл. Часть
коэфф. П. з., к-рая пропорциональна
объёмной вязкости, связана с релак-
релаксационными процессами (см. Релак-
Релаксация). На высоких частотах коэфф.
объёмной вязкости начинает зависеть
от частоты, так что его вклад в П. з.
имеет частотную зависимость, отли-
отличающуюся от —(о2. Выражение для
связанной с релаксацией части коэ<
П. з. ар имеет вид:
2с
B)
где х — время релаксации, с0 — ско-
скорость распространения звука при ма-
малых частотах (шт<1), с^ — скорость
звука при высоких частотах (шт>1).
Полный коэффициент поглощения
* = акл + ар-
При низких частотах, т. е. при (от<1,
коэффициент П. з. описывается форму-
формулой A), где величина коэфф. объём-
объёмной вязкости Z = рт(с2 — с2). Ве-
личина арЯ при шт<1 растёт с уве-
увеличением частоты, а на частоте ре-
релаксации (Ор = 1/т имеет максимум
(рис. 1). Величина а//2, постоянная
при (от<1, в области частот, близких
к (Ор, уменьшается с ростом частоты,
а при шт>1 стремится к нулю, при-
причем ар стремится к постоянной вели-
величине (с2 — с2)/2хс'. Релаксационное
поглощение всегда сопровождается
дисперсией скорости звука.
Т. к. релаксация связана с различ-
различными внутримолекулярными и меж-
межмолекулярными процессами, происхо-
происходящими в среде под действием УЗ,
анализ частотных и температурных
зависимостей коэфф. П. з. позволяет
судить об этих процессах. Частота
релаксации шр для разных веществ
может лежать как в УЗ-вой, так и
в гиперзвуковой области; величина
её зависит от темп-ры, давления, при-
примесей других веществ и от других
факторов.
Поглощение звука в газе. Коэфф.
П. з. в газе зависит при данной
темп-ре от частоты / и давления газа
Р, взятых в комбинации f/P (рис. 1),
14
]2
6
2
/
Г
4
(
*
К
\
\
\
ч
-
-
¦
¦
-
10 20 50 100 200 500 1000
f/P, кГц/атм
Рис. 1. Коэффициент поглощения звука
на длину волны, делённый на я, в зависи-
зависимости от f/P для СО2 при температуре
21 "С.
так что разрежение газа эквивалентно
увеличению частоты. Вклад теплопро-
теплопроводности и сдвиговой вязкости в П. з.
в газах — одного порядка величины.
Вклад объёмной вязкости и релакса-
релаксационных процессов значителен для
многоатомных газов, тогда как в одно-
одноатомных газах релаксационные про-
процессы отсутствуют и а = акл. Дан-
Данные о П. з. в нек-рых газах в УЗ-вом
диапазоне частот приведены в таб-
таблице 1.
Из таблицы видно, что в ряде слу-
случаев, например для углекислого газа,
измеренные значения П. з. довольно
заметно превышают акл (на частоте
50 кГц при комнатной темп-ре и нор-
нормальном давлении в углекислом га-
газе as&0,2 см, т. е. волна затухает
в е раз на расстоянии 5 см). Это пре-
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
259
Табл. 1.—П о г л о щ с н и е
ультразвука в газах
Газ
Воздух ....
Углекислый
газ
Водород . . .
Окись азота
Кислород . ¦
Аргон ....
Азот
Часто-
Частота /,
кГц
132 —
400
1160
304,4
598,4
598,9
598,9
4250
598,9
Дав-
ле-
ление
Р,
атм
1,0
1 ,0
0,98
1,0
0,95
0,99
1,0
0,97
а/Р-10", см-'с2
экспе-
эксперимент
2,94-
3,99
1,67
27,1
3,58
1,83
1,68
1,9
1,35
теория
(клас-
сиче-
сическая)
1,24
»
1 ,30
0,17
1,56
1,49
1,9
1 ,3
вышение указывает на существенный
вклад релаксационных процессов.
В таких газах, как СО2, CS2, CO и
др., основной вклад в П. з. даёт ре-
релаксационный процесс возбуждения
колебательных степеней свободы. В бо-
более сложных системах может иметь
место как колебательная, так и вра-
вращательная релаксация, причём обычно
частоты релаксации этих процессов
различаются на несколько порядков.
Даже небольшие примеси посторон-
посторонних газов заметно влияют как на ве-
величину ар, так и на (ор. П. з. в воз-
воздухе зависит от его влажности
(рис. 2). В сильно разреженных газах,
т. е. при больших значениях отноше-
отношения flP, когда длина волны звука
становится сравнимой с длиной сво-
свободного пробега молекул, для опи-
0 10 20 30 40 5D 60 70 80 90 Ш0
Относительная влажность. %
Рис. 2. Зависимость коэффициента погло-
поглощения звука в воздухе от относительной
влажности при разных частотах.
сания П. з. нужно пользоваться ки-
нетич. теорией газов.
Поглощение звука в жидкостях.
П. з. в обычных жидкостях в основном
определяется вязкостью (как сдвиго-
сдвиговой, так и объёмной). В большинстве
жидкостей экспериментальные зна-
значения коэфф. П. з. существенно пре-
превышают значения, даваемые классич.
теорией, что свидетельствует о боль-
большом вкладе релаксационных процес-
процессов. Релаксационное поглощение в
жидкостях может быть обусловлено
колебательной релаксацией, струк-
структурной релаксацией (ассоциированные
жидкости, поведение к-рых похоже
на поведение воды), поворотно-изо-
поворотно-изомерной релаксацией, диссоциацией
растворённых веществ в растворах
электролитов и пр. Частота релак-
релаксация в жидкостях, как правило,
очень велика, и область релаксации
часто оказывается лежащей в диапа-
диапазоне гиперзвуковых частот. В этих
случаях при @<@р релаксационные
процессы приводят к большим зна-
значениям ? и существенным отклонени-
отклонениям от классич. значений а (табл. 2),
Табл. 2, — Теоретические
и экспериментальные значе-
значения поглощения ультразвука
вшидкостях
Жидкость
Вода
Ацетон
Толуол
Четырёххлористый
углерод
Уксусная кислота
Глицерин C 0 °С) .
Этиловый спирт . .
Ртуть
Аргон (—187,8 °С)
Часто-
Частота /,
МГц
1-250
5-70
1-75
1-100
1,5 —
67,5
22,3
1 — 220
21-
996
44,4
а//2- 10",
СМ Сг
экспе-
эксперимент
теория
(клас-
сиче-
сическая)
23
30
80
500
9000 —
158
2730
55
12—13
10,1
8,5
7,0
7,8
20,0
17
1600
20
10,3
8,1
но качественный характер частотной
зависимости а ~/2 сохраняется до
высоких УЗ-вых частот. Коэффициент
поглощения в жидкостях обычно силь-
сильно зависит от температуры (рис. 3).
Температурные кривые поглощения
имеют максимум, величина и положе-
положение к-рого зависят от частоты: с уве-
увеличением частоты максимум сдвига-
сдвигается в сторону больших темп-р и ве-
величина о. растёт, что свидетельствует
об увеличении времени релаксации
при понижении темп-ры.
П. з. в растворах электролитов
связано с химич. релаксацией и дис-
диссоциацией растворённых веществ.
260
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
Поглощение звука в морской воде
довольно велико и имеет сложный
характер. В области частот />5 кГц
оно описывается суммой классического
и релаксационного членов, причём
величина обоих членов зависит от
темп-ры и солёности морской воды.
Частота релаксации растёт с ростом
темп-ры и при темп-ре 20 °С составля-
составляет =*s 120 кГц. В области частот 5—
60 кГц для качественных оценок по-
поглощения иногда пользуются зависи-
зависимостью о. ъа 0,036/3'2, где частота /
в кГц, а а в дБ/км.
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Б0
Температура, °С
Рис. 3. Зависимость коэффициента погло-
поглощения звука от температуры для жидко-
жидкости со структурной релаксацией: 1 — для
3 МГц; 2 — для 22 МГц.
В жидких металлах важный вклад
вП. з. вносит теплопроводность. Если
жидкий металл помещён в магнитное
поле, то коэфф. П. з. увеличивается
с ростом магнитной индукции В про-
аВ2 е>2г2
порционально величине -я— • у——Г-5- ,
где т = i/ацс, ц — магнитная прони-
проницаемость жидкого металла, а — про-
проводимость. Такой характер поглоще-
поглощения связан с возникновением инду-
индуцированных токов в жидком металле
под действием УЗ.
В высокополимерах, ре-
резинах и пластмассах П. з.
сильно зависит от состава и структуры
материала. В этих веществах опреде-
определяющий вклад в П. з. вносят релак-
релаксационные процессы, причём, как пра-
правило, имеется широкий спектр вре-
времён релаксации. Под действием УЗ-вой
волны происходит сворачивание и
разворачивание клубков молекул по-
полимеров. Область релаксации для
разных материалов может лежать как
в низкочастотном, так и в мегагер-
мегагерцевом диапазонах частот. Зависи-
Зависимость а от темп-ры имеет один или
несколько максимумов, положение
к-рых зависит как от материала, так
и от частоты звука. С ростом часто-
частоты положение максимумов сдвигается
в сторону больших темп-р. Для вул-
вулканизированной резины при частоте
10 МГц имеется максимум при
темп-ре—40 СС, в полистироле — при
темп-ре порядка —10 °С. Величина
коэффициента П. з. в резине при / =
= 10 МГц составляет несколько со-
сотен дБ/см.
Поглощение звука в твёрдых телах.
В твёрдых телах И. з. различно для
продольных и сдвиговых волн. Это
связано как с различием скорости
звука для этих волн, так и с тем, что
в П. з. для продольной и сдвиговой
волн могут давать вклад различные
механизмы. Для определения коэфф.
поглощения в твёрдом теле, как пра-
правило, не пользуются ф-лой A), т. к.
в П. з. здесь могут давать вклад мно-
многие механизмы, не укладывающиеся
в простую схему, на основании к-рой
выведена эта ф-ла. П. з. в твёрдых
телах определяется в основном внут-
внутренним трением и теплопроводностью
среды, а на высоких частотах и при
низких темп-pax — различными про-
процессами взаимодействия УЗ-вых и ги-
нерзвуковых волн с внутренними воз-
возбуждениями в твёрдом теле, такими,
как тепловые колебания решётки,
электроны, спиновые волны и пр. На
поглощение сдвиговых волн в одно-
однородных твёрдых телах теплопровод-
теплопроводность и другие объёмные эффекты не
влияют, т. к. сдвиговые волны не свя-
связаны с изменением объёма.
Величина П. з. в твёрдом теле за-
зависит от кристаллич. состояния веще-
вещества (в монокристаллах коэфф. П. з.
обычно меньше, чем в поликристал-
поликристаллах), от наличия дефектов и примесей,
от предварительной обработки, к-рой
был подвергнут материал (для метал-
металлов — ковка, прокат, отжиг, закалка),
и т. п. Внутреннее трение в кристал-
кристаллах при комнатной темп-ре сильно
зависит от наличия дислокаций, дви-
движение к-рых под действием звуковой
волны приводит к диссипации энер-
энергии, а следовательно, и к П. з. Внут-
Внутреннее трение в этом случае зависит от
амплитуды волны (см. Дислокационное
поглощение ультразвука) и соответ-
соответственно наблюдается заметная ампли-
амплитудная зависимость а.
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
261
Во многих твёрдых телах при не
очень высоких частотах коэфф. П. з.
изменяется пропорционально первой
степени частоты, и поэтому величина
добротности Q не зависит от частоты.
В табл. 3 приведены значения е =
= l/Q для нек-рых материалов.
Табл. 3. — П о г л о ще н и е
ультразвука в твёрдых телах
Материал
Плавленый
кварц . . .
Алюминий по-
ликристал-
ликристаллический
Свинец ....
Стекло крон
Нержавеющая
сталь
1Х18Н9Та
Титан ВТ1б
Медь М2" . .
Латунь Л59"
Алюминиевый
сплав АМГ"
Диапазон
частот
5-19 МГц
3,5-4,5 МГц
3,1-7,5 МГц
1,6-15 кГц
1,0-8 кГц
4-7,5 МГц
18—2 5 кГц
18-25 кГц
»
»
>>
Коэффици-
Коэффициент потерь
104-е
0,225
0,515
1 .7
280
290
2,38
4,4
1,4
5,2
2,4
3,0
Тип
волны
сдвиго-
сдвиго-
В:1Я
продо-
продольная
продо-
продольная
сдвиго-
сдвиговая
сдвиго-
сдвиговая
продо-
продольная
продо-
продольная
продо-
продольная
продо-
продольная
продо-
продольная
Примечание. В металлах поглоще-
поглощение зависит от амплитуды; при амплитуде
напряжения в пучности колебаний а —
5 кгс/мм2, 6 — 6 кгс/мм2, в — 2 кгс/мм2.
Роль теплопроводности для про-
продольных волн в однородном твёрдом
теле идентична роли теплопроводно-
теплопроводности в жидкости и газе. П. з., обус-
обусловленное теплопроводностью, со-
составляет примерно 50% полного по-
поглощения в металлах, в к-рых велики
коэфф. теплового расширения и теп-
теплопроводности, и всего лишь 4% от
полного поглощения в диэлектриках.
Этот механизм связан с объёмными
деформациями и не даёт вклада в по-
поглощение сдвиговых волн.
Другой вид поглощения, также
имеющийся в большинстве веществ,
связан с нелинейным взаимодействи-
взаимодействием звуковой волны и тепловых коле-
колебаний кристаллич. решётки, т. е.
с взаимодействием звуковых и тепло-
тепловых фононов. Такое П. з. поэтому
часто наз. «решёточным» или «фонон-
ным». Оно проявляется на высоких
частотах в достаточно чистых и без-
бездефектных кристаллах. В зависимости
от частоты и соотношения длины вол-
волны УЗ и длины свободного пробега
тепловых фононов в кристалле (опре-
(определяемой темп-рой) можно рассмат-
рассматривать различные модели фононного
поглощения. На сравнительно низких
частотах действует т. н. механизм «фо-
нонной вязкости», или механизм Ахие-
зера. Он заключается в том, что зву-
звуковая волна, представляющая собой
когерентный пучок фононов, наруша-
нарушает равновесное распределение тепло-
тепловых фононов, и вызванное ею перерас-
перераспределение энергии между различны-
различными фононами приводит к необратимому
процессу диссипации энергии. Этот
механизм имеет релаксационный ха-
характер, причём роль времени ре-
релаксации играет время жизни фо-
нона, равное: х = 1/с = Зх/Су~Ь,
где I — длина свободного пробега фоно-
на, с — средняя скорость звука. Ко-
Коэфф. П. з. равен в этом случае:
a=i'ic^vpc,(r;Tm2T,), C)
где у — т. н. постоянная Грюнайзе-
на, связанная с модулями упругости
3-го порядка, Т — абсолютная темп-ра.
Этот механизм П. з. даёт вклад в
поглощение как продольных, так и
поперечных волн. Он является доми-
доминирующим при комнатных темп-рах,
при к-рых выполняется условие
шт<1. В области гиперзвуковых ча-
частот A010 — 1011 Гц) н при низких
темп-рах (при темп-ре жидкого гелия),
когда (oxfel, происходит непосред-
непосредственное взаимодействие когерентных
звуковых фононов с тепловыми, к-рое
следует рассматривать в рамках кван-
квантовых представлений. На основе та-
таких представлений предполагается,
что взаимодействие когерентного и
теплового фононов приводит к появ-
появлению третьего, также теплового,
фонона и, следовательно, с учётом
законов сохранения энергии и им-
импульса — к уменьшению звуковой
энергии, т. е. поглощению звука.
Этот механизм поглощения наз. меха-
механизмом Ландау—Румера.
Решёточное П. з. является основным
механизмом поглощения в чистых
262
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
бездислокационных кристаллах ди-
диэлектриков, в к-рых другие факторы
сказываются слабо. Поэтому такие
кристаллы могут обладать очень ма-
малым коэфф. П. з. Весьма малое по-
поглощение при комнатной темп-ре бы-
было обнаружено в топазе, берилле, сап-
сапфире (табл. 4). Коэфф. П. з. в этих
веществах при частоте 9 ГГц состав-
составляет величину ~15 дБ/см. Коэфф. П. з.
в железоиттриевом гранате, к-рый
тоже обладает малым поглощением,
составляет~25дБ/см при той же ча-
частоте. Температурная зависимость ко-
коэфф. П. з. в диэлектриках имеет ха-
характерный вид, показанный на рис. 4
для кристалла А12О3.
Табл. 4. —
в н е ь
Кристалл
Кварц ь .
Сапфир
Рутил . .
Железоит-
триевый
гранат
Алюмоит-
триевый
гранат
Берилл . .
Ниобат ли-
лития . . .
По
о т о р
Направле-
Направление распро-
распространения
ось
»
»
ось
ось
»
ось
»
X
Z
С
С
100
100
»
ось
ось
»
С
С
глощение
ых криста
Тип
волны
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
быстрая
попереч-
поперечная
медлен-
медленная
продоль-
продольная
»
»
продоль-
продольная
»
попереч-
поперечная
продоль-
продольная
»
продоль-
продольная
продоль-
продольная
»
Температу-
Температура, К
300
300
300
300
300
300
300
20
300
300
300
300
300
300
звука
л л
Частота,
ГГц
1
1
1
1
1
9
1
1
1
1
9
9
1
9,4
а х
Коэффици-
Коэффициент погло-
5
5
0
0
1
15
1
0
0
0
щения,
дБ/см
,8
,5
,5
,3
,34
,2
25—30
15
0
27
,3
При темп-pax Г<10 К коэфф. П. з.
не зависит от темп-ры; в интервале
темп-р 20—100 К имеется область рез-
резкого возрастания коэфф. П. з., где
зависимость а от Г для разных крис-
таллографич. ориентации изменяется
от а~Г4 до а — Г9; при темп-pax выше
100 К коэфф. П. з. вновь почти не за-
зависит от темп-ры. Такой ход темп-ры
можно объяснить соответствующей за-
зависимостью для Су и х — ф-ла C).
з.ог
5 10 20 30 40 50 100 20D 300
Температура. К
Рис. 4. Зависимость коэффициентов по-
поглощения в монокристалле А12О3 от тем-
температуры для продольных и сдвиговых
ультразвуковых волн с частотой 1 ГГц,
распространяющихся вдоль оси С.
П. з. в монокристаллах зависит от
направления распространения волны
относительно кристаллографич. на-
направления (см. Распространение уль-
ультразвука в кристаллах). Кроме того,
оно сильно зависит от наличия при-
примесей. Последние могут не только
изменять величину коэфф. П. з., но и
влиять на характер его температур-
температурной зависимости. Напр., в кварце на-
наличие примесей приводит к появле-
появлению пиков на зависимости а от Г.
Коэфф. П. з. в синтетич. кварце при
нек-рых темп-pax может на 2 — 3 по-
порядка превышать коэфф. П. з. в на-
натуральном кварце.
В металлах и полупроводниках,
кроме решёточного П. з., описанного
выше, а также термоупругого и свя-
связанного с внутренним трением, име-
имеется ещё специфич. поглощение, свя-
связанное с взаимодействием ультразвука
с электронами проводимости. В ме-
металлах эти эффекты становятся за-
заметными при темп-pax ниже примерно
10 К. При переходе металла в сверх-
сверхпроводящее состояние П. з. уменьша-
уменьшается. При наложении магнитного по-
поля, разрушающего сверхпроводимость,
поглощение возрастает. Взаимодей-
Взаимодействие УЗ с носителями тока в полупро-
полупроводнике при наличии внешнего элек-
трич. поля может привести к появле-
появлению отрицательного П. з., т. е. к уси-
усилению ультразвука.
ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
263
В ферромагнетиках имеется до-
дополнительное П. з., обусловленное
эффектом магнитострикции. Под дей-
действием упругой волны в них возника-
возникают локальная переменная намагни-
намагниченность и связанные с ней потери
энергии, в первую очередь потери на
токи Фуко ц магнитный гистерезис.
Эти потери, вызывающие П. з., за-
зависят от частоты. Зависимость магни-
тострикционных и магнитных ха-
характеристик вещества от состояния
намагниченности также влияет на
П. з. (рис. 5). В частности, при нало-
Рис. 5. Зависимость коэффициента погло-
поглощения ультразвука различных частот
в никеле от магнитной индукции В при
распространении вдоль оси [НО].
жении внешнего магнитного поля ко-
эфф. П. з. уменьшается, а с ростом
частоты растёт. В нек-рых веществах
взаимодействие УЗ с системой ядер-
ядерных спинов или же с электронными
спинами парамагнитных центров мо-
может приводить к резонансному погло-
поглощению УЗ (см. Акустический пара-
парамагнитный резонанс, Акустический
ядерный магнитный резонанс).
В поликристаллах как величина
коэфф. П. з., так и его частотный ход
зависят от соотношения между раз-
размерами кристаллита а, длиной теп-
тепловой волны Л = T/x/w и длиной
волны звука К. При низких частотах
(w < %/а*, где % = %/рСр — коэфф.
температуропроводности) коэфф. П. з.
пропорционален to2'. На высоких ча-
частотах, т. е. при со>с/а, снова имеет
место зависимость а~<в2, а в обла-
области частот при %/a2<^w<c/a коэффици-
коэффициент П. з. пропорционален ~\/а>. Нали-
Наличие других видов неоднородностей
также приводит к увеличению П. з.
Аналогичный характер имеет погло-
поглощение поперечных волн в тонких пла-
пластинках и стержнях, где толщина
пластинки играет ту же роль, что и
размеры кристаллита в поликристал-
поликристаллах.
При фазовых переходах 2-го рода
П. з. аномально возрастает с прибли-
приближением томп-ры к темп-ре перехода
Тх, что связано с ростом термодина-
мич. флуктуации.
С ростом интенсивности звука ста-
становятся существенными нелинейные
эффекты, к-рые приводят к зави-
зависимости коэфф. П. з. от амплитуды
(см. Нелинейное поглощение звука).
Методы измерения П.з.
разнообразны и зависят от вещества,
в к-ром П. з. измеряется, диапазона
частот и величины коэфф. П. з. Во
всех методах измерения важно выде-
выделить истинное поглощение и отделить
его от других явлений, приводящих
к уменьшению амплитуды звука, та-
таких, как сферич. расхождение, ди-
дифракционные эффекты, рассеяние (см.
Затухание звука), а также потери на
склейках и пр. Основные группы мето-
методов измерения П. з.: методы, основан-
основанные на измерении радиационного дав-
давления звука или же непосредственном
измерении амплитуды звуковой вол-
волны в зависимости от расстояния (час-
(часто исяользуется в жидкостях), метод
УЗ-вого интерферометра (использу-
(используется в газах при измерении на высо-
высоких частотах), метод реверберации
(используется на низких частотах),
оптич. метод, калориметрич. метод и
импульсный метод. Из всех перечис-
перечисленных методов импульсный является
наиболее точным и универсальным.
Он позволяет измерять поглощение
с точностью до нескольких процентов.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1953; Бергман Л., Ультразвук и
его применение в науке и технике, пер.
с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов
И. Г., Соловьев В. А., Сырни-
Сырников Ю. П., Основы молекулярной аку-
акустики, М., 1964; Физическая акустика, под
ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М.,
1966, гл. 4; т. 2, ч. А, 1968; т. 3, ч. Б, 1968,
гл. 5 и 6; т. 4, ч. Б, 1970, гл. 2; Т р у э л л
Р., Эльбаум Ч., Чик Б., Ультра-
Ультразвуковые методы в физике твердого тела,
пер. с англ., М., 1972; А л ф р е й Т., Ме-
Механические свойства полимеров, вер. с
264
ПОЛЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
англ., М., 1952; Трелоар Л., Физика
упругости каучука, пер. с англ., М., 1953;
Колесников А. Е., Ультразвуко-
Ультразвуковые измерения, М., 1970; Herzfeld К.,
Li to vi t z Т., Absorption and disper-
dispersion of ultrasonic waves, N. Y.— L., 1959.
А. Л. Полякова.
ПОЛЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ —
пьезополу проводниковый преобразова-
преобразователь, в котором обеднённый носителя-
носителями заряда слой у поверхности пьезо-
полупроводника получается с помо-
помощью эффекта поля, который состоит в
том, что носители электрического за-
заряда, напр, электроны в пьезополу-
проводнике гс-типа, вытесняются внеш-
внешним электрич. полем Е (рис.) от по-
поверхности в глубину кристалла, об-
образуя у поверхности слой с пони-
пониженной концентрацией свободных но-
носителей заряда. Толщина обеднён-
обеднённого слоя d зависит от величины Е.
В простейшем случае отсутствия на-
начального искривления энергетических
зон полупроводника вблизи поверх-
поверхности и малых значений Ed — гд, а в
егг
случае Е > кБ Т/егя d ^ ^~§гЕ- Здесь
гд — дебаевская длина, е — заряд
электрона, кв — Больцмана постоян-
з i
Схема полево-
полевого преобразо-
преобразователя: 1 —¦
обеднённый
носителями
заряда слой;
2 — металли-
металлический злек-
трод; 3 — воз-
воздушный зазор; 4 — омический контакт;
5 — пьезополупроводниковый кристалл;
6 — источник постоянного напряжения;
7 — высокочастотный генератор; « — ин-
индуктивность.
пая, Т — абсолютная темп-pa. Оцен-
Оценки по приведённой ф-ле показывают,
что в материалах типа CdS или
GaAs при Е ~ 1 — 100 кВ/см можно
получить значения d, обеспечиваю-
обеспечивающие работу преобразователя в диапа-
диапазоне частот 100 МГц — 10 ГГц. При
переменных электрич. полях, сравни-
сравнимых по величине с Е, П. п. становится
нелинейным, аналогично преобразо-
преобразователю с запирающим слоем.
Лит.: Гуляев Ю. В. и д р., «Фи-
«Физика и техника полупроводников», 1968,
т. 2, J* 8, с. 1202—04. Е. К. Грищенко.
ПОЛУПРОВОДНИКИ — группа
веществ, занимающих промежуточное
положение между хорошими провод-
добавок приме-
Зона проводимости
никами и диэлектриками, удельное
сопротивление к-рых лежит в области
от 10~2 до 109 Ом-см. Характерная
особенность П.— высокая чувстви-
чувствительность их свойств к различным
внешним воздействиям (изменению
темп-ры, освещению и др.), а также
к введению малых
сей. Типичными П.
являются элементы
IV группы таблицы
Менделеева, напр,
германий и кремний,
а также соединения
элементов III и V
групп (т. н. соеди-
соединения AnlBv), напр.
GaAs, InSb, GaSb,
и соединения эле-
элементов II и VI
Запрещенная
зона
, ника:
(соединения риНа
Валентна/) зона
Рис. 1. Схема
энергетических
зон полупровод-
Е„
ши-
групп ^иединенин риНа запрещён-
A"BVI), напр. CdS, ной зоны.
CdTe, ZnO.
Основные свойства П. хорошо объяс-
объясняются зонной теорией. На основании
этой теории энергетич. спектр электро-
электронов в твёрдом теле разделяется на
зоны разрешённых и запрещённых
энергий (рис. 1). Все электроны,
расположенные на оболочках атомов,
составляющих кристаллич. решётку,
занимают разрешённые зоны энергии,
причём верхняя разрешённая зона
в П. полностью заполнена и наз. ва-
валентной зоной. Следующая разре-
разрешённая зона, полностью пустая при
темп-ре абсолютного нуля, наз. зоной
проводимости; она отделена от ва-
валентной зоны запрещённой зоной ши-
шириной Ед, являющейся важной харак-
характеристикой П. В разных П. Ед состав-
составляет величину ~ 0,1—1,3 эВ. В ме-
металлах запрещённой зоны нет, и ва-
валентная зона перекрывается с зо-
зоной проводимости. В диэлектриках
обычно Ед > 5 эВ. В чистом П.
удельное электрич. сопротивление
р = Аеху (Eg/2kBT), где А — кон-
константа, слабо зависящая от темп-ры,
Т — темп-pa в Кельвинах, кв —
Больцмана постоянная. Такой тип
проводимости, наз. собствен-
собственной проводимостью, имеет
место обычно в чистых П. при высокой
темп-ре; при низких темп-pax эти
вещества практически ведут себя как
диэлектрики.
При наличии примесей в П. сущест-
существенно изменяется тип проводимости,
возникает т. н. примесная про-
ПОНДЕРОМОТОРНЫЕ СИЛЫ
265
водимость: в запрещённой зоне
появляются дополнительные уровни
энергии, к-рые облегчают переход
электронов в зону проводимости.
Если в германий или кремний доба-
добавить в виде примеси элемент V груп-
группы, напр, фосфор, мышьяк, сурьму,
то атомы примеси, замещая в ре-
решётке атом основного элемента, легко
отдают свои электроны и наз. доно-
донорами. При этом в запрещённой
зоне появляются уровни, близко от-
отстоящие от дна зоны проводимости
(рис. 2); такие П. наз. электрон-
электронными П. или П. re-типа. Если же
внесена примесь в виде атомов эле-
элемента III группы, напр, бора, галлия,
индия, то такие атомы связывают
(захватывают) лишние электроны и
наз. акцепторами, их уровни
расположены близко к валентной зо-
V/J////, Дотрт„ У//////Л
- примесь
i
Акцепторная
~~ примесь
У7777777.
а б
Рис. 2. Схема энергетических зон в при-
примесных полупроводниках: а — п-типа,
б — р-типа; пунктирными линиями обо-
обозначено положение донорной и акцептор-
акцепторной примесей.
не; П. такого вида наз. д ы р о ч н ы-
м и П. или П. р-типа. Малые добавки
донорной примеси приводят к перехо-
переходу электронов в зону проводимости,
а добавки акцепторной примеси —
к уходу в область связанных состоя-
состояний электронов из валентной зоны,
что эквивалентно появлению поло-
положительного заряда, иаз. в этом слу-
случае «дыркой». Электрон, попавший
в зону проводимости, или дырка в ва-
валентной зоне наз. носителями тока и
ведут себя как свободные заряды
соответствующего знака, перемеща-
перемещающиеся под действием электрич. поля.
Электрич. сопротивление примес-
примесного П. гораздо слабее зависит от
темп-ры, чем сопротивление собствен-
собственного ГГ., поскольку здесь число носи-
носителей тока определяется гл. обр.
концентрацией примесей, а не тепло-
тепловой генерацией. В П. всегда имеются
носители тока обоих знаков, но,
напр., в П. re-типа концентрация
электронов значительно больше кон-
концентрации дырок. В таком случае
говорят, что электроны являются ос-
основными носителями тока, а дырки —
неосновными. Последние часто играют
важную роль в процессах, происходя-
происходящих в П., в частности в процессах
р —п-перехода.
В нек-рых П., наз. фотополупро-
фотополупроводниками, сопротивление весьма
чувствительно к освещению. Напр.,
в образце CdS сопротивление может
изменяться от 1О10 Ом-см в темноте
до 10* Ом-см на свету. Наличие
в кристаллах дефектов роста, дисло-
дислокаций, вакансий и пр. также может
приводить к появлению примесной
проводимости в П. как донорного, так
и акцепторного типа.
В общем случае ток в П. обуслов-
обусловливается как электронами, так и
дырками и удельная проводимость
а = 1/р = е (|хеп + txnp),
где е — заряд электрона, н и р —
концентрации электронов и дырок,
а це и \хп — подвижность электронов
и дырок соответственно. Подвижность
определяет скорость v, к-рую приоб-
приобретает электрон или дырка в элек-
электрическом поле напряжённостью Е,
т. е. \i = vlE.
Лит.: Бонч-Бруевич В. Л.,
Калашников С. Г., Физика полу-
полупроводников, М., 1977. А. Л. Полякова.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕ-
ПЕРЕХОД — то же, что р — п-переход.
ПОНДЕРОМОТОРНЫЕ СИЛЫ
в звуковом поле — совокуп-
совокупность сил, действующих на вещество
или тело, помещённое в звуковом
поле. В П. с. вносят вклад перемен-
переменное звуковое давление, пропорциональ-
пропорциональное амплитуде звука, и квадрати-
квадратичные эффекты — радиационное давле-
давление, силы Бьеркнеса, а также гидро-
динамич. силы, обусловленные дви-
движением среды в звуковой волне.
П. с. проявляются в действии звуковой
волны на чувствительные элементы
приёмников звука, в УЗ-вых коа-
коагуляции, диспергировании, кавитации,
в возникновении акустических тече-
течений, усталости материалов, подвер-
подвергающихся длительному воздействию
интенсивного акустич. излучения, во
вспучивании границ раздела двух
сред.
Сила, действующая на элемент
объёма &V и равная fAV, где / —
объёмная плотность П. с, определя-
определяется изменением импульса (см. Им-
Импульс звуковой волны) элемента объёма
AFb единицу времени, равным импуль-
266
ПОНДЕРОМОТОРНЫЕ СИЛЫ
су, втекающему в объем через его по-
поверхность. Если тензор плотности
потока импульса —П^, то s-я ком-
компонента силы, действующей на объём
AV, определяется выражением:
где dS — элемент поверхности объёма,
a nh — внешняя по отношению
к объёму нормаль. Соответственно
этому сила, действующая на элемент
поверхности dS, равна потоку им-
импульса через него и определяется
выражением — ll^dS. В частности,
на поверхность единичной площади
действует сила, i -я компонента к-рой
Fi = Riknk- Тензор плотности потока
импульса звуковой волны ГЦЙ =
= — Р^гк — pvii-'k + aik' где р — зву-
звуковое давление, v^ — компонента ко-
колебательной скорости частиц, S^fe—
символ Кронекера (Sjfe = 1 при i = к
и &ih = О при г Ф к), Ст{й — тензор
вязких напряжений, р — плотность
среды. Если поверхность жёсткая,
то скорость частиц среды, прилегаю-
прилегающих к ней, обращается в нуль и
сила, действующая на единицу её пло-
площади, равна: Fi = —P&iknk "Ь aiknh-
Основной вклад в F-i при таких ус-
условиях даёт звуковое давление р, и
именно эта величина воспринимается
чувствительными элементами приём-
приёмников звука.
Кроме того, здесь действуют силы
вязкости. Для монохроматич. звуко-
звуковых волн р — гармония, ф-ция време-
времени, меняющаяся с частотой звука. В
жидкостях при интенсивности звука
/ =5а 1 Вт/см2, характерной для ряда
лрактич. применений УЗ, р =к 10е
дин/см2 = 1 атм. Такие силы могут
превысить порог прочности жидко-
жидкости и вызвать кавитацию. Средняя
по времени П. с, обусловленная
звуковым давлением в гармонич. зву-
звуковых полях, равна нулю.
Помимо этого, в звуковых полях воз-
возникают постоянные во времени П. с.
Они определяются квадратичными
членами тензора плотности потока
импульса и по порядку величины
равны плотности энергии Е звуковой
волны: Fp = Е = ргЧ Обычно эти
силы можно рассматривать как ре-
результат действия радиационного дав-
давления, или давления звукового излуче-
излучения. Их величина мала; напр., в
воздухе при интенсивности звука
Ю"9 Вт/см2 Fp ~ 10-" дин/см2, в воде
при интенсивности звука 1 Вт/см2
Fp =ss 102 дин/см2. Тем не менее они
приводят к заметным эффектам, про-
проявляющимся, напр., в появлении
акустич. течений, во вспучивании
границ раздела двух сред и даже
в возникновении фонтанчиков жид-
жидкости.
П. с. действует не только на эле-
элементы среды, в к-рой возбуждено
звуковое поле, но и на граничащие
с ней поверхности, а также на тела,
находящиеся в среде. Так, напр.,
на взвешенное в акустич. иоле тело,
размеры к-рого много меньше длины
звуковой волны X, а плотность равна
плотности окружающей среды, в зву-
звуковом поле действует сила, застав-
заставляющая его колебаться вместе с час-
частицами среды. При различных плот-
плотностях тела и окружающей среды
возникает движение тела относитель-
относительно среды, причём если плотность тела
Pi больше плотности среды р, то оно
отстаёт от частиц среды, а если
Р! <С р — то опережает их. Движе-
Движение тела относительно среды вызывает
дополнительное движение среды (рас-
(рассеянную волну), а значит, и допол-
дополнительную силу реакции, действую-
действующей на тело. Напр., на сферу радиуса
а при a <g X в поле плоской звуковой
волны действует сила:
= 4-
(к = 2я/Х, — волновое число звуковой
волны, Е — средняя по времени
плотность энергии акустич. поля,
б = p/pi).
Если вблизи одного из тел в звуко-
звуковом поле имеется другое, то взаим-
взаимное влияние рассеянных на этих телах
волн вызывает взаимодействие между
телами. В частности, две сферы с ра-
радиусами а и 6, пульсирующие в зву-
звуковом поле на расстоянии г друг от
друга, притягиваются друг к другу
с силой
FB = 4тгРа262 ^ cos ф,
где va, Vf) — колебательные скорости
поверхностей сфер, ф — сдвиг фаз
их пульсаций, р — плотности среды,
FB наз. силой Бьеркнеса.
Осциллирующие сферы притягива-
притягиваются с меньшей силой: для случая,
когда векторы скоростей осцилля-
осцилляции сфер компланарны, равны v и
ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЗВУКА
267
образуют угол а с линией, соединяю-
соединяющей их центры, сила взаимодействия
определяется ф-лой Кёнига:
1<\ = -1 тер -^-i;2 A + 3 COS 2а).
Наряду с силами акустич. происхож-
происхождения, зависящими от сжимаемости
среды, на тела, помещённые в звуковое
поле, действуют также силы, вызван-
вызванные движением тела относительно
среды. Такие силы имеют место при
возникновении акустич. течений или
микропотоков при кавитации и наз.
гидродинамическими. К
их числу относится сила сопротивле-
сопротивления, к-рую испытывает тело, движущее-
движущееся с постоянной скоростью в вязкой
жидкости. Для жёсткой сферы радиу-
радиусом а, движущейся со скоростью v,
эта сила выражается ф-лон Стокса:
Fc = благ/г), где т) —¦ динамич. коэфф.
вязкости среды.
Другим примером гидродинамич.
силы является силаБернулли,
притягивающая тела, движущиеся
в жидкости или омываемые ею. Для
случая двух жёстких сфер с радиуса-
радиусами а и Ъ, находящихся на расстоянии
г друг от друга в потоке жидкости,
движущейся со скоростью v, сила
Бернулли равна:
Эта сила действует, в частности, на
находящиеся в звуковом поле жёсткие
частицы, малые по сравнению с К.
П. с. используется в разнообраз-
разнообразных приёмниках УЗ, устройствах,
измеряющих его интенсивность (ра-
(радиометр, Рэлея диск). На действии
П. с. основаны эффекты коагуляции,
дегазации жидкостей и металлов, дис-
диспергирования твёрдых тел в жидкости,
эмульгирования и т. п., применяемые
в УЗ-вой технологии.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1953; Лебедев П. Н., Собр. соч.,
М., 1963, с. 68—121; Бергман Л., Уль-
Ультразвук и его применение в науке и техни-
технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957, гл. 6; К а-
невский И. Н., «Акуст. ж.», 1961,
в. 1, с. 3—17; Мощные ультразвуковые по-
поля, М., 1968 (Физика и техника мощного
ультразвука, кн. 2). К. А. Наугольных.
ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ — волны,
распространяющиеся в направлении,
перпендикулярном к плоскости,
в к-рой лежат направления смещений
и скоростей частиц тела; то же, что
сдвиговые волны.
ПОРОГ КАВИТАЦИИ — граница
между двумя режимами гидродинамич.
процессов в жидкости — бескавита-
ционным и кавитационным. Для дан-
данного вида течения жидкости П. к.
характеризуется определённым, т. н.
критическим, значением числа кави-
кавитации хк (см. Кавитация). Величина
х„, соответствующая началу кавита-
кавитации, обычно отличается от величины
хк, соответствующей её исчезновению,
т. е. имеет место гистерезис. Порог
акустич. кавитации характеризуют
минимальным значением амплитуды
звукового давления рк, при к-ром
возникает кавитационный процесс.
Ввиду сложности процесса возник-
возникновения полостей в жидкости, обус-
обусловленного многообразием механизмов
роста зародышей кавитации, и факто-
факторов, влияющих на эти процессы, П. к.
и характеризующие его значения
хк и рк оказываются зависящими от
ряда параметров. Так, напр., П. к.
возрастает при снижении содержа-
содержания газа в жидкости после предвари-
предварительного обжатия её высоким гидро-
статич. давлением, при повышении час-
частоты звука и уменьшении длительно-
длительности озвучивания (в частности, при
уменьшении длительности импульсов
акустических, если звук излучается в
импульсном режиме), при повышении
степени турбулентности потока.
Лит.: Пер ник А. Д., Проблемы
кавитации, 2 изд., Л., 1966; Кнзпп Р.,
Дэйли Дж., Хэммит Ф., Кавита-
Кавитация, пер. с англ., М., 1974.
К. А. Наугольных.
ПОТЕНЦИАЛ-ДЕФОРМАЦИОН-
ПОТЕНЦИАЛ-ДЕФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ульт-
ультразвука с электронами
проводимости — см. Взаимо-
Взаимодействие ультразвука с электронами
проводимости.
ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЗВУКА — изме-
изменение направления распространения
звуковой волны при прохождении её
через границу двух сред с различными
скоростями звука. Термин «П. з.» при-
применим в случаях, когда поведение
волн удовлетворяет законам геометри-
геометрической акустики, и П. з. можно рас-
рассматривать, как преломление звуко-
звуковых лучей. При преломлении выпол-
выполняется закон Снеллиуса (см. Отраже-
Отражение звука): (cos9')/c' = (cos0)/c, где
0 и 0' — углы скольжения падающей
и преломлённой волн (или соответст-
соответствующих лучей), с и с' — скорости
268
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДИФФУЗИОННЫМ СЛОЕМ
звука в соответствующих средах.
[Закон Снеллиуса можно записать
также, пользуясь углами падения
i = 90° — 9 и преломления V =90° — 9',
в виде (sin i)/c = (sin i')/c'.] В среде
с непрерывным изменением скорости
звука от точки к точке имеет место
рефракция — непрерывное изме-
изменение направления луча. В резуль-
результате рефракции луч загибается в сто-
сторону меньшей скорости звука. При
плоско-слоистой неоднородности сре-
среды лучи — плоские кривые, лежащие
в плоскостях, перпендикулярных
слоям. В таких средах, согласно зако-
закону Снеллиуса, для каждого луча имеет
место соотношение (cos 0)/c = const,
к-рое можно рассматривать как ур-ние
луча.
Рефракция — важнейший фактор,
влияющий на распространение звука
в атмосфере, в океане и в толще
земли. Рефракционные эффекты мо-
могут наблюдаться также при распрост-
распространении УЗ в изделиях, в материале
к-рых скорость звука меняется по
толщине (напр., вследствие поверх-
поверхностной цементации).
Лит.: Бреховских Л. М., Волны
в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; И с а-
к о в и ч М. А., Общая акустика, М., 1973;
Красильников В. А., Звуковые
и ультразвуковые волны в воздухе, воде и
твердых телах, 3 изд., М., 1960.
М. А. Исакович.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДИФФУ-
ДИФФУЗИОННЫМ СЛОЕМ — пьезополу про-
проводниковый преобразователь, в кото-
котором обеднённый носителями заряда
4
Схема преобразо-
преобразователя с диффу-
диффузионным слоем:
1 — плёнка ме-
меди; 2 — диффузи-
диффузионный слой меди;
3 — монокристалл
CdS; 4 — инди-
индиевый омический
контакт; 5 — высокочастотный генера-
генератор; 6 — согласующая индуктивность.
акустически активный слой образует-
образуется в результате диффузии в пластину
низкоомного пьезополупроводника на
малую глубину примесей, к-рые за-
захватывают свободные электроны и
обусловливают высокое электрич.
сопротивление слоя. Так, напр., для
создания П. с д. с. из CdS (рис.)
на плоскую поверхность монокрис-
монокристалла CdS, обладающего малым сопро-
сопротивлением (р ~ 1 Ом-см), методом ва-
вакуумного напыления наносится тон-
тонкая — 0,1 мкм плёнка меди. При этом
для излучения продольных волн гек-
гексагональная ось CdS должна быть
ориентирована перпендикулярно пло-
плоскости напыления, а для поперечных
(сдвиговых) — параллельно. Затем
образец помещается в вакуумную
печь и выдерживается в ней опре-
определённое время при темп-ре 400 С.
Процесс термодиффузии меди в ре-
решётку CdS приводит к образованию
на поверхности образца тонкого
A—300 мкм) высокоомного акусти-
акустически активного слоя, толщина к-рого
зависит от времени диффузионного от-
отжига. Рабочий диапазон частот П. с д. с.
составляет 10—1000 МГц. Верхняя
граница диапазона обусловлена инер-
инерционностью процессов нагревания и
охлаждения пьезополупроводниково-
го образца, а также величиной коэфф.
диффузии компенсирующей примеси.
Недостатком П. с д. с. являет-
является возможность низкотемпературной
диффузии компенсирующей примеси
(напр., Си в CdS), что приводит со
временем к понижению его резо-
резонансной частоты. Это нежелательное
явление проявляется только в случае
тонких диффузионных слоев с рез-
резкой границей и может быть в значи-
значительной степени устранено примене-
применением компенсирующих примесей
с меньшим коэфф. диффузии в пьезо-
полупроводник (напр., для CdS та-
таких, как Ag, S и Ni).
Лит.: Foster N. F., «J. Appl. Phys.»,
1963, v. 34, № 4, pt. 1, p. 990—91; Прок-
Проклов В. В. и д р., «Радиотехника и элект-
электроника», 1966, т. 11, в. 5, с. 954—58; Г р и-
щенко Е. К., «Акуст. ж.», 1967, т. 13,
№ 3, с. 446—48. Е. К. Грищенко.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЗАПИРА-
ЗАПИРАЮЩИМ СЛОЕМ — пъезополупровод-
никовый преобразователь, в к-ром
обеднённым носителями заряда акус-
акустически активным слоем является
область неомич. контакта металл —
полупроводник или область р—п-
перехода. Это может быть, напр.,
обеднённый слой, образованный вы-
выпрямляющим контактом между низ-
коомным (р — 0,1 Ом-см) кристал-
кристаллом GaAs гс-типа и золотым элект-
электродом (рис.). На преобразователь
подаётся высокочастотный сигнал V^
и постоянное обратное напряжение
смещения F=.
Характерная особенность П. с з. с.—
зависимость толщины обеднённого
ПРИЁМНИКИ И ИНДИКАТОРЫ УЛЬТРАЗВУКА
269
слоя d как от концентрации примесей
по обе стороны перехода, так и от
приложенного электрич. напряже-
напряжения F_. Величина d может изме-
изменяться в пределах — 0,1 — 1 мкм, что
соответствует диапазону резонансных
частот преобразователя — 2—20 ГГц.
Наименьшее значение d определяется
концентрацией примесей и типом кон-
Схема преобразователя с запирающим сло-
слоем: 1 — металл; 2 — обеднённый слой;
3 — пьезополупроводник п-типа; 4 —
омический контакт; S — источник посто-
постоянного напряжения; 6 — дроссель; 7 —
высокочастотный генератор; 8 — разде-
разделительная ёмкость; 9 — согласующая ин-
индуктивность.
тактирующих материалов, а наиболь-
наибольшее — электрич. прочностью мате-
материала обеднённого слоя. При V^ — F_
из-за нелинейных электрич. свойств
преобразователя появляются гармо-
гармоники электрич. поля, а в излучаемой
звуковой волне — гармоники основ-
основного тона преобразователя. Вследст-
Вследствие этого П. с з. с. может быть исполь-
использован в квазилинейном режиме только
при V^ <t V_.
Лит.: Иванов С. Н., С к в о р ц о-
в а Н. Е., Степанов Б. Г., «Акуст.
ж.», 1965, т. 11, в. 3, с. 398—99; White
D. L., «IRE Internat. Convent. Нес», 1961,
v. 9, JSS 6, p. 304—09; его же, The dep-
depletion layer transducer, «IRE Trans. Ultras.
Engng.», 1962, v. 9, M 1, p. 21—27; Stra-
Strauss W., «J. Appl. Phys.», 1964, v. 35,
Nil, p. 2106 — 11. E. К. Грищенко.
ПРИЕМНИКИ И ИНДИКАТОРЫ
УЛЬТРАЗВУКА. Индикаторы УЗ
(И. у.) позволяют обнаружить акус-
тич. колебания и волны в газообраз-
газообразных, жидких и твёрдых средах. Приём-
Приёмники УЗ (П. у.) служат, кроме того,
для измерения тех или иных пара-
параметров колебаний и волн, напр, амп-
амплитуды колебательного смещения час-
частиц, колебательной скорости частиц,
ускорения, звукового давления, интен-
интенсивности звука. П. у. всегда представ-
представляют собой специальные устройства,
предназначенные для указанных выше
целей; в качестве И. у., помимо спе-
специальных устройств, могут исполь-
использоваться явления, возникающие в сре-
среде при наличии в ней акустич. волны.
Приёмники ультразвука. Наиболее
распространёнными П. у. являются
электроакустические преобразователи.
К ним относятся в первую очередь
пьезоэлектрические преобразователи,
магнитострикционные преобразовате-
преобразователи, полупроводниковые и пъезополу-
проводниковые преобразователи, элек-
электростатические приёмники и электро-
электродинамические приёмники. Приёмники
этого типа преобразуют акустич. сиг-
сигнал в электрический; крайне малая
инерционность позволяет воспроизво-
воспроизводить временную форму сигнала и, сле-
следовательно, получать сведения о его
фазе, частоте и спектре. В зависимо-
зависимости от конструкции приёмного эле-
элемента, а также от функциональных
особенностей применяемой с приёмни-
приёмником электронной схемы электроаку-
электроакустические преобразователи могут слу-
служить приёмниками звукового давле-
давления, колебательной скорости, уско-
ускорения, смещения. Термические при-
приёмники используются в основном
для измерения интенсивности звука;
они имеют значительную инерцион-
инерционность. Благодаря большой инерцион-
инерционности усреднённые по времени пока-
показания дают приёмники механич. ти-
типа — Рэлея диск и радиометр. Первый
служит для измерения амплитуды
колебательной скорости, второй —
для измерения радиационного давле-
давления, т. е. плотности звуковой энергии
и интенсивности звука. Звуковое дав-
давление и интенсивность звука могут
измеряться также различными оптич.
методами (напр., по дифракции света
на ультразвуке), основанными на из-
изменении показателя преломления сре-
среды под действием акустич. колебаний,
возникновении двойного лучепрелом-
лучепреломления и других оптич. эффектов в зву-
звуковом поле.
П. у., размеры к-рых много меньше
длины волны, т. н. точечные, позво-
позволяют получать сложную простран-
пространственную структуру акустич. поля.
П. у. большего размера дают усред-
усреднённое по поверхности приёмного
элемента значение измеряемого пара-
параметра. Усреднённое по всему озвучи-
озвучиваемому объёму значение интенсив-
интенсивности УЗ можно получить калоримет-
рич. методом, основанным на преобра-
преобразовании акустич. энергии в тепловую.
270
ПРИЁМНИКИ И ИНДИКАТОРЫ УЛЬТРАЗВУКА
Важнейшей характеристикой приём-
приёмников УЗ является их чувстви-
чувствительность — отношение получа-
получаемого на выходе сигнала к измеряемой
величине. Для приёмников звукового
давления — электроакустич. преоб-
преобразователей чувствительность у опре-
определяется, как правило, отношением
амплитуды электрич. напряжения
в режиме холостого хода к амплитуде
звукового давления. Часто эффектив-
эффективность работы системы двух электро-
электроакустич. преобразователей, один из
к-рых работает в режиме излучения,
а другой — в режиме приёма это-
этого излучения, характеризуют т. н.
потерями на двукратное преобразо-
преобразование в децибелах: 20 lg (F1/T/2). гДе
Vt — электрич. напряжение на из-
излучателе, F2 — электрич. напряже-
напряжение, развиваемое приёмником. Эти
потери зависят как от свойств электро-
механич. преобразователей, так и от
согласования их на электрич. и ме-
ханич. сторонах. Динамиче-
Динамический диапазон П. у., i.e. об-
область значений принимаемого сигна-
сигнала, в к-рой чувствительность по-
постоянна, ограничивается снизу собст-
собственными шумами приёмника и внеш-
внешними шумами и помехами (тепловые
флуктуации в приёмном элементе и
в среде, шумы в электрич. цепях
и т. п.), а сверху нелинейностью
свойств приёмника (напр., нелиней-
нелинейностью магнитострикционного эффек-
эффекта, нелинейностью, обусловленной
конструкцией), приводящей к иска-
искажению принимаемого сигнала. Ди-
намич. диапазон оценивается обычно
в децибелах. По виду частотных
характеристик, т. е. по виду
зависимости чувствительности от час-
частоты, приёмные преобразователи мож-
можно разделить на резонансные и нере-
нерезонансные. Резонансные П. у. отли-
отличаются повышенной чувствитель-
чувствительностью, однако рабочая частотная по-
полоса их ограничивается падением
чувствительности в У 2 раз по обе
стороны от резонансной частоты. Не-
Нерезонансные, или широкополосные,
приёмные преобразователи работают
обычно в области частот, лежащей
ниже их первой собственной частоты;
чувствительность их в этой области
практически постоянна и падает лишь
на самых низких частотах из-за шун-
шунтирующего влияния электрич. цепей.
Для расширения рабочей полосы час-
частот П. у. необходимо максимально
возможное увеличение их резонан-
резонансной частоты, связанное в первую
очередь с уменьшением размеров
самого приёмного элемента. Широ-
Широкая частотная полоса нужна для
неискажённого приёма сложных сиг-
сигналов, спектр к-рых содержит боль-
большое число составляющих (напр., для
приёма импульсных сигналов). За-
Зависимость чувствительности П. у. от
ориентации его в звуковом поле харак-
характеризует его направленность.
При использовании П. у. бывает
желательно, чтобы они по возможности
не искажали звуковое поле. Это усло-
условие легко реализуется при размерах
П. у., много меньших длины волны
в среде. Однако и для относительно
больших П. у. существуют методы
калибровки (т. н. калибровка «по но-
нолю»), позволяющие получать значе-
значения характеризующих звуковое поле
величин, к-рые были бы в отсутствии
возмущений, вносимых приёмным эле-
элементом. К П. у. могут предъявляться
и нек-рые специальные требования:
возможность проводить измерения при
очень низких или очень высоких
темп-pax и давлениях, в агрессивных
средах, в условиях сильных вибраций
и т. п. Для уменьшения влияния
приёмного элемента на акустич.
поле, а также для возможности про-
проведения измерений в средах, оказы-
оказывающих неблагоприятное воздействие
на преобразователь, используют т. н.
акустич. зонды, буферы и др. Зонд
(буфер) представляет собой тонкую
трубку (или твёрдый стержень), один
конец к-рой помещается в исследуе-
исследуемую точку звукового поля, а второй
соединяется с преобразователем. Для
уменьшения отражений за преобразо-
преобразователем к трубке присоединяется
длинный звукопровод, обладающий
значительным поглощением.
Выбор типа П. у. для измерений
зависит от среды, области частот,
предполагаемой интенсивности УЗ,
уровня и характера помех и ряда дру-
других условий.
В зависимости от среды, в к-рон
применяются приёмники звука, их
подразделяют на приёмники для воз-
воздушной среды — микрофоны, для
жидкости — гидрофоны и для твёр-
твёрдых тел.
Для воздушной среды чаще всего ис-
используются электростатич. и электро-
ПРИЁМНИКИ И ИНДИКАТОРЫ УЛЬТРАЗВУКА
271
динамич. приёмники с чувствитель-
чувствительностью от единиц до десятков мВ/Па,
реже — пьезоэлектрические, приём-
приёмный элемент к-рых работает, как пра-
правило, на изгибных колебаниях. Для
гидрофонов в подавляющем большин-
большинстве случаев применяют пьезоэлек-
трич. преобразователи с чувствитель-
чувствительностью от единиц мкВ/Па до единиц
мВ/Па (от десятых долей до сотен
мкВ-см2/дин); характерный динамич.
диапазон их превышает 100 дБ. В ме-
мегагерцевой области частот при интен-
сивностях звука в жидкости больших
—0,01 Вт/см2 могут быть использова-
использованы термич. приёмники, а также ра-
радиометры. В твёрдых телах, как пра-
правило, доступны исследованию лишь
колебания и волны на поверхности
(исключение составляют оптич. мето-
методы в прозрачных телах и нек-рые дру-
другие специальные методы). Для приёма
УЗ-вых колебаний, вызванных волна-
волнами различных типов (объёмными про-
продольными или сдвиговыми, поверхно-
поверхностными), в большинстве случаев ис-
используются пьезоэлектрич. контакт-
контактные П. у. Такие приёмники могут
служить для измерения амплитуды
смещений поверхности (виброметры),
колебательной скорости (велосимет-
ры), ускорения (акселерометры). При
этом в измерительных устройствах,
применяемых в УЗ-вой технике, один
н тот же П. у. часто используется в ка-
качестве виброметра, велосиметра и ак-
акселерометра путём применения соответ-
соответствующей электронной схемы, выпол-
выполняющей операцию дифференцирования
или интегрирования. Минимальные из-
измеримые с помощью пьезоэлектрич.
П. у. амплитуды смещений ограничи-
ограничиваются шумами и в области частот
1 —10 МГц обычно составляют 10~в —
10~7 мкм. Потери на однократное пре-
преобразование могут быть доведены до
2—3 дБ, однако, как правило, состав-
составляют 15—20 дБ. П. у. для твёрдых
тел должны реагировать в основном
на определённый тип волны, для чего
используются пластинки из пьезо-
пьезоэлектрич. кристаллов специальных
срезов (напр., Х-срез кварца или Z-
срез ниобата лития для продольных
волн, У-срез кварца для сдвиговых) ли-
либо специальная поляризация пьезоке-
рамич. преобразователей, специальные
конфигурации электродов на пьезо-
элементе (напр., встречно-штыревая
система электродов для приёма по-
поверхностных волн). Помимо прямого
пьезоэффекта, являющегося основой
работы большинства пьезоэлектрич.
П. у., для измерения интенсивности
в пьезополупроводниках иногда ис-
используется акустоэлектрический эф-
эффект. В области высоких УЗ-вых
(й ЮО МГц) и гиперзвуковых частот
(в частности, в акустоэлектронике)
в качестве П. у. применяются пьезо-
пьезоэлектрич. и магнитострикционные
плёночные преобразователи, пьезополу-
проводниковые преобразователи раз-
различного типа, а также метод, ос-
основанный на возбуждении электромаг-
электромагнитных колебаний СВЧ-резонатора
пьезополями, возникающими при при-
приёме гиперзвука. В лабораторной прак-
практике и в УЗ-вой технике для абсолют-
абсолютных измерений амплитуд смещения
применяются бесконтактные П. у.—
электростатические (ёмкостные дат-
датчики) и индуктивные. Ёмкостные дат-
датчики позволяют измерять амплитуду
смещения от 10~в мкм и выше. Бескон-
Бесконтактные оптич. методы — интерфе-
интерференционные и методы оптич. гетероди-
нирования — с применением оптич.
квантовых генераторов (лазеров) поз-
позволяют измерять амплитуды смещений
поверхности от 10~5 —10~tf мкм и выше
с высокой точностью. Значительные
амплитуды смещений порядка не-
нескольких мкм или десятков мкм в об-
области низких УЗ-вых частот измеряют
с точностью не более 10% при помощи
микроскопа по размытию хорошо осве-
освещенной точки на боковой поверхности
колеблющегося тела.
Индикаторы ультразвука. И. у. в га-
газах и жидкостях могут служить раз-
различные вторичные эффекты, возникаю-
возникающие при относительно больших ин-
тенсивностях, напр, достаточно легко
наблюдаемые акустические течения,
эффект дегазации жидкости, появле-
появление на поверхности жидкости ряби, пе-
переходящей при дальнейшем увеличе-
увеличении интенсивности в фонтанирование
(см. Распыление), наконец, кавитация
с её разнообразными проявлениями
в виде появления массы пульсирую-
пульсирующих пузырьков, возникновения кави-
тационного шума, зву ко люминесцен-
люминесценции, эффектов очистки и кавитаци-
онной эрозии (эрозия помещённой
в УЗ-вую ванну металлич. фольги по-
позволяет судить о распределении аку-
стич. поля). При значительной интен-
интенсивности индикация УЗ может быть
272
ПРОВОДИМОСТЬ
основана на тепловом эффекте, вызы-
вызывающем плавление таких хорошо по-
поглощающих УЗ легкоплавких веществ,
как воск и парафин. Для индикации
УЗ может служить и его разнообраз-
разнообразное химич. действие, напр, выделение
иода из нек-рых солей, легко обнару-
обнаруживаемое по посинению нанесённого
на пластинку слоя крахмала, или вы-
выделение хлора из его соединений, вы-
вызывающее пожелтение раствора. При
этом интенсивность окраски, возни-
возникающей при сонохимич. реакции, ис-
используют и для количественной оцен-
оценки интенсивности звука. Ускорение
проявления фотографич. эмульсии под
действием УЗ применяют в экспери-
экспериментах для определения конфигура-
конфигурации УЗ-вого поля. Колебания твёрдых
тел можно обнаружить с помощью на-
насыпанного на их поверхность мелкого
порошка (ликоподия, песка и т. п.).
Когда амплитуда ускорения поверхно-
поверхности и, следовательно, находящихся
на ней частиц порошка становится
равной ускорению земного притяже-
ння, частицы начинают подпрыгивать
на поверхности и концентрироваться
в узлах колебаний, образуя Хладни
фигуры, позволяющие судить о распре-
распределении амплитуды колебаний.
Обширные возможности для инди-
индикации УЗ представляют различные
оптич. методы, применяемые от низ-
низких УЗ-вых до гиперзвуковых частот
в широком динамич. диапазоне (см.
Визуализация звукового поля, Дифрак-
Дифракция света на ультразвуке). Дополни-
Дополнительными достоинствами этих методов
являются возможность измерений вну-
внутри твёрдых тел, отсутствие возмуще-
возмущения акустич. поля, безынерционность,
свобода от электромагнитных помех.
Их применение, естественно, ограниче-
ограничено оптически прозрачными средами.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и
его применение в науке и технике, пер. с
нем., М., 1956; Матаушек И., Ультра-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962;
Колесников А. Е., Ультразвуко-
Ультразвуковые измерения, М., 1970.
И. П. Голямина, Л. К. Зарембо.
ПРОВОДИМОСТЬ акустиче-
акустическая — величина, обратная импе-
импедансу акустическому: удельная П. к.-л.
поверхности — отношение колебатель-
колебательной скорости частиц на этой по-
поверхности к звуковому давлению. Так,
удельная П. сосредоточенной массо-
массовой нагрузки равна i/om, где т — по-
поверхностная плотность нагрузки, ш —
круговая частота колебаний, i — мни-
мнимая единица. Удельная П. сосредото-
сосредоточенной упругостной нагрузки, опёр-
опёртой на абсолютно жёсткую стенку,
равна —г<в/к, где к — коэфф. упру-
упругости, рассчитанный на единицу пло-
площади поверхности. Акустич. П. ис-
используется при построении эквива-
эквивалентных схем на основании 2-й систе-
системы электромеханических аналогий (см.
Электромеханические и электроаку-
электроакустические аналогии), тогда как при
построении их на основании 1-й си-
системы аналогий используется аку-
акустич. импеданс.
Лит.: Исакович М. А., Общая
акустика, М., 1973.
ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ — волны,
направление распространения к-рых
совпадает с направлением смещений и
скоростей частиц среды. П. в. явля-
являются, напр., упругие волны, распрост-
распространяющиеся в газах и жидкостях.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ излу-
излучателя нулевого поряд-
порядка — объёмная скорость малого по
сравнению с длиной волны излучателя
нулевого порядка, создающего то же
звуковое поле, что и данный излуча-
излучатель (см. Излучение звука). Для излу-
излучателя нулевого порядка конечного
радиуса а модуль объёмной скорости
V связан с его производительностью
Q ф-лой:
V = <?[1 + (ка)*]г!>,
где к — волновое число звука.
Лит.: Ржевкин С. Н., Курс лек-
лекций по теории звука, М., 1960.
ПУЧНОСТЬ — точка (линия, по-
поверхность), в к-рой амплитуда той
или иной величины, характеризующей
данную стоячую волну (смещение, ко-
колебательная скорость, звуковое дав-
давление и т. п.), принимает максималь-
максимальное значение.
ПЬЕЗОКЕРАМИКА — поликри-
поликристаллические сегнетоэлектрики, об-
обладающие после нх поляризации
в электрич. поле устойчивыми н хоро-
хорошо выраженными пьезоэлектрич. свой-
свойствами. Способ изготовления П., её
механич. свойства и структура ана-
аналогичны обычной керамике. По струк-
структуре неполяризованная П. представля-
представляет собой совокупность кристаллитов—
зёрен со случайной ориентацией кри-
сталлографич. осей, причём каждый
кристаллит имеет сложную доменную
структуру, а полная спонтанная поля-
ПЬЕЗОКЕРАМИКА
273
ризация образца равна нулю (см. Сег-
нетоэлектричество).
В отсутствии поляризации сегнето-
электрич. керамика не является пъе-
зоэлектриком, т. к. в целом относится
к системам, имеющим центр симмет-
симметрии, однако обладает сильной электро-
стрикцией. Зёрна имеют размеры
3—100 мкм и кристаллич. структуру,
несколько искажённую на границах.
Они разделены между собой межкри-
сталлитной прослойкой. Размеры зё-
зёрен оказывают влияние на свойства
П., причём, как правило, существен-
существенными для практики преимуществами
обладает П. с мелкими зёрнами.
В процессе поляризации, т. е. вы-
выдержки керамики в сильном постоян-
постоянном электрич. поле, электрич. момен-
моменты доменов всех зёрен ориентируются
вдоль поля. После выключения поля
эта преимущественная ориентация со-
сохраняется благодаря гистерезису, и
керамика приобретает полярную ани-
анизотропию, т. е. переводится в
класс пироэлектриков с симметрией
6 mm(CSv).
Большинство составов П. основано
на химич. соединениях с ф-лой АВО3
(напр., ВаТЮа, РЬТЮа) с кристаллич.
структурой типа перовскита и различ-
различных твёрдых растворов на их основе
(напр., системы ВаТЮа — СаТЮ3,
ВаТЮ3 — CaTiO3 — СоСОа, NaNbOa —
KNbOa). Особенно широко исполь-
используются в качестве пьезоэлектриче-
пьезоэлектрических материалов составы системы
РЬТЮ3 — PbZrOa (т. н. система PZT,
или ЦТС). Практич. интерес пред-
представляет также ряд соединений с ф-лой
АВ3Ов, напр. PbNb2O6, имеющих весь-
весьма высокую Кюри точку (—570 °С),
что позволяет создавать пьезоэлемен-
ты для работы при высоких темп-рах.
Процесс изготовления П. разделя-
разделяется на несколько этапов. При осу-
осуществлении синтеза заданного сег-
нетоэлектрич. соединения исходное
сырьё (окислы или соли, напр, дву-
двуокись титана и окись бария) измель-
измельчается и смешивается в количествах,
соответствующих стехиометрич. со-
составу соединения, а затем подверга-
подвергается термич. обработке при темп-рах
900—1300 °С, в процессе к-рой проис-
происходит химич. синтез. Используется
также т. н. метод осаждения из вод-
водных растворов, при к-ром темп-ра
синтеза благодаря идеальному пере-
перемешиванию компонент снижается до
750—1000 СС. Из порошкообразного
синтезированного материала прессо-
прессованием (а также литьём под давлени-
давлением) получаются заготовки необходи-
необходимой конфигурации и размеров для
будущих пьезоэлементов, к-рые за-
затем подвергаются обжигу по строго
определённому температурному ре-
режиму, в большой степени определяю-
определяющему свойства П. Механич. обра-
обработка детали после обжига обеспечи-
обеспечивает ей точно заданную форму и раз-
размеры. На деталь наносятся электроды
из серебра, никеля, платины и др.,
причём наибольшее распространение
получил метод вжигания серебра.
Для поляризации керамики к электро-
электродам подводится электрич. напряжение
(напряжённость поля Е составляет
от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от
химич. состава и метода поляриза-
поляризации). С целью уменьшения Е при по-
поляризации образец нагревают до
темп-р, близких к точке Кюри (т. к.
при этом домены обладают большей
подвижностью), а затем медленно ох-
охлаждают в присутствии поля. П. свой-
свойственно т. н. старение, т. е. изменение
её параметров (диэлектрич. проницае-
проницаемости, пьезомодулей) со временем, осо-
особенно заметное в первые несколько
суток после изготовления и поляриза-
поляризации образцов, к-рое обусловлено из-
изменением как механич. напряжений
на границах между зёрнами, так и ве-
величины остаточной поляризации.
Изготовление сегнетоэлектриков в
виде П. позволяет получить высоко-
высокоэффективные пьезоэлементы с наперёд
заданной конфигурацией, размерами и
в определённых пределах ¦— свойст-
свойствами. П., выполненная на основе раз-
разнообразных химич. соединений (сег-
(сегнетоэлектриков и их твёрдых раство-
растворов),-— наиболее широко применяемый
пьезоэлектрич. материал.
По электромеханич. свойствам раз-
различают т. н. сегнетомягкую П., обла-
обладающую высокими значениями пьезо-
модуля и диэлектрич. проницаемости,
однако имеющую высокие электрич.
потери, низкую механическую доброт-
добротность и сильно выраженную нелиней-
нелинейность (напр., материалы ЦТСНВ-1,
PZT-5H, ТБ-1), и сегнетожёсткую П.
с низкими электрическими и меха-
механич. потерями и слабовыраженной не-
нелинейностью при относительно невы-
невысоких пьезоэлектрич. модулях (напри-
(например, ЦТС-23, PZT-8). Имеются также
274
ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИК
материалы промежуточного типа,
напр. ЦТБС-3.
Лит.: Серова И. А., С л у ч е в-
ский В. С.,1 С т р е л е ц П. Л., Про-
Производство керамических пьезоэлементов,
Л., 1959; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966,
гл. 3; Г л о з м а н И. А., Пьезокерамика,
2 изд., М., 1972; Смажевская Е. Г.,
Фельдман Н. Б., Пьезоэлектрическая
керамика, М., 1971; Яффе Б., Ну к У.,
Яффе Г., Пьезоэлектрическая керамика,
пер. с англ., М., 1974. Р. Е. Пасынков.
ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИК — полу-
полупроводниковый материал, обладаю-
обладающий пьезоэффектом. При распростра-
распространении акустич. волны в П. перемен-
переменные деформации и напряжения вслед-
вследствие пьезоэффекта приводят к появ-
появлению электрич. поля, изменяющего-
изменяющегося с той же периодичностью и дейст-
действующего на электроны проводимости.
В результате такого взаимодействия
ультразвука с электронами проводи-
проводимости возникает ряд эффектов, напр,
дополнительное поглощение звука в по-
полупроводнике, а также, при опреде-
определённых условиях, происходит усиле-
усиление звука (см. Усиление ультразвука
в полупроводниках). П. являются
кристаллы CdS, ZnO, CdTe, GaAs,
GaSb и др.
ПЬЕЗОПО Л У ПРОВ О Д H И К О В Ы Й
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — пьезоэлектри-
пьезоэлектрический преобразователь, представля-
представляющий собой обеднённый носителя-
носителями заряда тонкий слой пъезополу-
проводника. Обычно П. п. является
вибратором пластинчатого типа, ра-
работающим на резонансной частоте
продольных или поперечных колеба-
колебаний по толщине пластины (слоя) в диа-
диапазоне частот от 10 МГц до 75 ГГц;
могут применяться и фокусирующие
П. п. Для П. п. применяются следую-
следующие материалы: CdS, ZnO, CdSe, GaAs,
A1N, GaP, ZnS и Se.
На относительно низких УЗ-вых
частотах, примерно до 50 МГц, излу-
излучение и приём УЗ-вых волн успеш-
успешно осуществляются с помощью ре-
резонансных пьезодиэлектрич. пластин
толщиной в 1/2Я, где К — длина звуко-
звуковой волны в материале преобразова-
преобразователя (см. Пъезоэлемент). Но с увели-
увеличением частоты пластины становятся
настолько тонкими и хрупкими, что
их изготовление и практическое ис-
использование оказываются нецелесооб-
нецелесообразными. Напр., полуволновая квар-
кварцевая пластинка X-среза на частоту
500 МГц должна иметь толщину около
6 мкм. Кроме того, при увеличении
частоты на работу преобразователей
начинают оказывать существенное
влияние промежуточные слои, при-
применяемые для создания акустич. кон-
контакта между пьезопластинкои и звуко-
проводом; это влияние может быть
пренебрежимо малым только в том
случае, если толщина слоев достаточно
мала по сравнению с К. П. п. позволя-
позволяет обойти эти трудности н сущест-
существенно расширить диапазон примене-
применения пьезоэлектрич. преобразователей
в сторону высоких частот.
Обеднённый носителями заряда тон-
тонкий слой (см. Обеднённый слой) соз-
создают, используя свойство полупро-
полупроводника локаль-
локально изменять в
достаточно ши-
—(ЕЬ
Рис. 1. Схема ис-
использования обед-
обеднённого носителями
заряда слоя пьезо-
полупроводника в
качестве электро-
электроакустического пре-
преобразователя: 1 —
обеднённый слой;
г — звукопровод — базовый электрод; 3 —
омический контакт; 4 — высокочастотный
генератор.
роких пределах удельное электрич.
сопротивление, почти не меняя при
этом акустич. параметров, что в со-
сочетании с пьезоэффектом позволяет
объединить преобразователь и зву-
звукопровод в одну интегральную кон-
конструкцию. Обеднённый слой может
быть создан путём непосредствен-
непосредственного осаждения высокоомной плёнки
пьезополупроводника на звукопро-
звукопровод (плёночный преобразователь), с по-
помощью диффузии компенсирующей
примеси в низкоомный пьезополупро-
водниковый звукопровод (преобразо-
(преобразователь с диффузионным слоем), пу-
путём создания запорного слоя на его
поверхности (преобразователь с за-
запирающим слоем) или эффекта поля
(полевой преобразователь). В каждом
из этих случаев преобразователь со-
состоит из очень тонкого высокоомного
слоя пьезополупроводника, образо-
образованного на поверхности низкоомного
базового электрода (рис. 1). Высо-
Высокочастотное электрич. напряжение,
приложенное к такой структуре, поч-
почти полностью падает на высокоомном
слое, а сам слой работает аналогич-
ПЬЕЗОНОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
275
но резонансной кварцевой пластинке
Х- или F-среза в зависимости от его
кристаллографич. ориентации.
П. п. сочетают в себе достоинства
резонансного пьезоэлектрич. преобра-
преобразователя с преимуществами жёсткой
монолитной конструкции и естест-
естественного акустич. контакта. П. п. ха-
характеризуются большой шириной по-
полосы пропускания, превышающей в от-
отдельных случаях 100% (напр., пре-
преобразователь с диффузионным слоем).
Это преимущество реализуется только
в том случае, если базовый кристалл-
электрод, на к-ром образован высоко-
омный слой пьезополупроводника, од-
одновременно является и звукопрово-
дом. Однако часто для целей акусто-
электроники и по конструктивным со-
соображениям П. п. и звукопровод из-
изготавливают из различных материа-
материалов. В этом случае естественный аку-
стич. контакт с звукопроводом обра-
образуется только у плёночного преобра-
преобразователя. Другие типы П. п. фор-
формируются на тонких, но ещё доста-
достаточно прочных пластинках низкоом-
ного пьезополупроводника (толщиной
—1 мм), к-рые затем приклеиваются
к основному звукопроводу и служат
базовым электродом П. п.
В отличие от пьезодиэлектрич. пре-
преобразователей удельное электрич. со-
сопротивление р внутри П. п. распреде-
распределено, вообще говоря, неравномерно,
и характер распределения зависит от
типа преобразователя и способа его
изготовления. Вследствие этого резо-
резонансная частота преобразователя оп-
определяется не просто толщиной образ-
образца, как это имеет место в случае пье-
зодиэлектриков, а эффективной тол-
толщиной высокоомного, акустически
активного слоя d. Обычно предпола-
предполагают, что толщина слоя d <к попереч-
поперечных размеров П. п. и что слой имеет
форму плоской пластины, тогда и из-
излучаемая акустическая волна тоже
плоская. Если считать, что частота
колебаний близка к резонансной,
т. е. й * Bп + 1)Я/2 (и — целое чис-
число), что контактный слой между пре-
преобразователем и звукопроводом от-
отсутствует и коэфф. электромеханич.
связи К полупроводника мал, а пре-
преобразователь и звукопровод имеют
приблизительно равные волновые со-
сопротивления, то П. п. соответствует
упрощённая эквивалентная электрич.
схема (рис. 2),' к-рая отличается от
схемы для пьезодиэлектрич. преобра-
преобразователя только тем, что в ней имеется
элемент, учитывающий активную элек-
электрич. проводимость пьезополупровод-
пьезополупроводника,— сопротивление электрич. по-
потерь П. п. Я. Ёмкость заторможен-
заторможенного преобразователя С = eS/d (где
8 — абсолютная диэлектрич. прони-
проницаемость материала, S — площадь
преобразователя) существует и в том
Рис. 2. Упрощённая эк-
эквивалентная электриче-
электрическая схема тонкослойно-
тонкослойного пьезополупроводнико-
пьезополупроводникового преобразователя.
ITR
случае, если материал не обладает
пьезоэлектрич. свойствами.
При монотонном уменьшении р по
толщине пьезополупроводникового об-
образца выражения для d и Л имеют
вид:
, _ .'¦ [р (х) emp dx
.1 1 + [р (х) 8(й]« '
Р (х) dx
1 + [р (X) ?Ш
где со — циклич. частота, х — коор-
координата, отсчитываемая в глубь пьезо-
пьезополупроводникового образца от его
поверхности, I — полная толщина
пьезополупроводникового образца.
Основная резонансная частота П. п.
/m = c/2d, где с — скорость звука
в материале полупроводника.
При возбуждении преобразователя
на частоте, близкой к /т, он обладает
механич. реактивным сопротивлени-
сопротивлением, к-рому в эквивалентной схеме
соответствуют индуктивность Lm и ём-
ёмкость С
т:
, _ л X (/„)
т— 16 fmK'
8
где X(fm) — электрич. сопротивление
ёмкости С на резонансной частоте.
Сопротивление Лт в эквивалентной
схеме соответствует всем видам меха-
механич. потерь, к-рые в идеальном слу-
случае обусловлены лишь излучением
в звукопровод. Эквивалентное сопро-
сопротивление акустич. излучения Rm и со-
сопротивление ёмкости С на резонанс-
резонансной частоте преобразователя при од-
одностороннем излучении связаны со-
соотношением:
Rm _ _я_ (рс)Ср
X iK* ' (рс)лр '
276
ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
где (рс)ср и (рс)пр — волновые сопро-
сопротивления среды и преобразователя
соответственно.
Эффективность работы П. п. опреде-
определяется в основном электрич. потеря-
потерями, связанными с наличием активной
электрич. проводимости в пьезополу-
проводниках, и потерями, обусловлен-
обусловленными отражением части электрич. или
акустич. энергии от преобразователя
в режиме излучения или приёма соот-
соответственно. Потери на отражение за-
зависят от согласования удельного
электрич. (акустич.) импеданса пре-
преобразователя и волнового сопротив-
сопротивления электрич. (акустич.) тракта и
могут быть, в принципе, сведены к ми-
минимуму выбором параметров преобра-
преобразователя, сопротивлений его элек-
электрич. и акустич. нагрузок и примене-
применением согласующих устройств. Напр.,
для компенсации реактивного сопро-
сопротивления преобразователя на резо-
резонансной частоте /т иногда парал-
параллельно ему подключают компенсирую-
компенсирующую индуктивность L такой величи-
величины, чтобы резонансная частота ?С-кон-
тура совпала с /т. Часто параллель-
параллельный LC-контур одновременно выпол-
выполняет роль трансформатора, согласую-
согласующего активные составляющие сопро-
сопротивлений излучателя и питающего его
генератора или приёмника и его элек-
электрической нагрузки. Применяют и
другие согласующие системы, напр,
объёмный резонатор на высоких часто-
частотах. При этом добротность согласую-
согласующего устройства должна быть доста-
достаточно большой и не снижать эффектив-
эффективности преобразователя. Электрич. по-
потери в режиме одностороннего излу-
излучения на основной резонансной часто-
частоте характеризуются коэфф. а, выра-
выраженным в децибелах:
4- JL<
где Wa — электрич. мощность, по-
потребляемая излучателем от генерато-
генератора, Wa — мощность акустич. излуче-
излучения в звукопровод. В режиме приёма
при конечной величине сопротивления
нагрузки Лн коэфф. электрич. потерь
где Wa — акустическая мощность, за-
забираемая пьезоприёмннком из звуко-
провода, WH — электрич. мощность,
отдаваемая им в электрич. нагрузку.
Если пьезоприёмник согласован с аку-
акустич. нагрузкой и отражение упругой
волны отсутствует, то Wa = W&.
При работе П. п. на высоких часто-
частотах возникает ряд особенностей. Так,
зачастую, вследствие малой величины
d, входное сопротивление преобразо-
преобразователя становится столь малым, что
возникают трудности в согласовании
его с внешними электрич. цепями.
Напр., у преобразователя продоль-
продольных колебаний из CdS площадью
1 см2 на частоте 1 ГГц d = 2,3 мкм,
и его входной импеданс представляет
собой ёмкостное сопротивление 0,02
Ом, шунтированное активным сопро-
сопротивлением в несколько Ом. Входное
сопротивление преобразователя мож-
можно увеличивать, уменьшая его пло-
площадь S, однако при этом ухудшается
направленность излучения, т. к. по-
поперечные размеры преобразователя
становятся сравнимы с длиной УЗ-вой
волны.
В диапазонах УКВ и СВЧ исполь-
используются элементы с распределёнными
параметрами, в объёме к-рых запаса-
запасается электрич. и магнитная энергия.
Поскольку высокоомный слой П. п.
занимает малую часть согласующего
элемента, напр, объёмного СВЧ-резо-
натора, то лишь малая часть запасае-
запасаемой электрич. энергии оказывается
сосредоточенной в этом слое и может
быть использована для преобразова-
преобразования. В свою очередь, в механич. энер-
энергию преобразуется лишь часть запа-
запасённой в высокоомном слое электрич.
энергии, определяемая коэфф. элек-
тромеханич. связи пьезополупровод-
ника К. Поэтому общий коэфф. пре-
преобразования оказывается небольшим,
и для уменьшения потерь на преобра-
преобразование, а также для увеличения
ширины полосы необходимо стремить-
стремиться к увеличению К, фактора связи
преобразователя с электрич. согла-
согласующим устройством и добротности
последнего.
Хотя основным преимуществом
П. п. является возможность получе-
получения тонкого высокоомного слоя в от-
относительно толстом кристалле, тол-
толщина базовой части кристалла долж-
должна быть также по возможности малой,
а его проводимость — большой, чтобы
сопротивление базового электрода бы-
было минимальным и не вносило боль-
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ
277
ших электрич, потерь. Дополнитель-
Дополнительный источник потерь обусловлен от-
отсутствием резкой границы между
слоями с большим и малым удельным
электрич. сопротивлением. В этом
отношении плёночный преобразова-
преобразователь может превосходить преобразова-
преобразователь с диффузионным слоем, посколь-
поскольку можно принять специальные меры,
чтобы акцепторы высокоомного слоя
не диффундировали в базовый элек-
электрод и переход сохранялся резким.
В случае преобразователя с диффузи-
диффузионным слоем вид границы между слоя-
слоями с большим и малым удельным со-
сопротивлением в значительной степени
зависит от технологии изготовления.
П. п. находят широкое примене-
применение в акустоэлектронике, они ис-
используются в пассивных и активных
УЗ-вых линиях задержки, в пьезо-
пьезоэлектрических усилителях, фильтрах,
а также при исследованиях распро-
распространения гиперзвука в веществе,
в частности в исследовании электрон-
фононного взаимодействия.
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, т. 1,ч. Б, М., 1967; Г р и щ е н-
к о Е. К., «Акуст. т.», 1968, т. 14. JVTs 3,
с. 385—89; 1969, т. 15, N1 2, с. 212 — 18;
МорозовА. И. и др., Пьезополупро-
водниковые преобразователи и их примене-
применение, М., 1973; Cohen M. G., Gordon
Е. I., «J. Appl. Phys.», 1967, v. 38, NJ 5,
p. 2340—44. E. И. Гри/ценпо.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ — анизотроп-
анизотропные диэлектрики и полупроводники,
обладающие пьезоэлектрич. свойст-
свойствами (см. Пьезоэлектричество). Хо-
Хорошо выраженный пьезоэффект на-
наблюдается у монокристаллов, лишён-
лишённых центра симметрии, и у поляри-
поляризованных сегнетоэлектрич. поликри-
поликристаллов — пьезокерамики. Эти П. име-
имеют большое значение в технике и ис-
используются для изготовления пьезо-
пьезоэлектрических преобразователей. П.,
не имеющие кристаллич. структуры
(нек-рые полимеры и органич. диэлек-
диэлектрики), имеют слабо выраженный пье-
пьезоэффект и пока мало применяются в
электроакустике. Известно более 1500
различных по химич. составу и свойст-
свойствам кристаллич. П. Их классифика-
классификация осуществляется прежде всего на
основе принадлежности к тому или
иному классу симметрии кристаллич.
системы, к-рая существенно определяет
пьезоэлектрич., диэлектрич. и меха-
нич. свойства кристалла. Для приме-
применения в технике наибольший инте-
интерес представляют следующие П.
Неполярные пьезоэлект-
р и к и характеризуются, как пра-
правило, малыми значениями отно-
относительной диэлектрич. проницаемо-
проницаемости е — 2,5—20 и пьезомодулей
d~B—5)-10 1а Кл/Н и соответственно
малым коэфф. электромеханич. связи
К — 0,1—0,2. Малые диэлектрич. по-
потери и высокая механич. добротность
(до 104), слабая зависимость свойств
от темп-ры и давления благоприятст-
благоприятствуют использованию этих П. в радио-
радиоэлектронике (электромеханич. фильт-
фильтры и различные стабилизирующие
устройства), а также в излучателях
УЗ, работающих в области высоких
частот (десятки МГц н выше). Наи-
Наиболее важные представители неполяр-
неполярных П.— кварц, хлорат и бромат нат-
натрия, сульфат никеля, хлорид, бромид
и иодид натрия. Нек-рые из П. име-
имеют относительно высокую электронно-
дырочную проводимость и образуют
группу пьезополупроводников (напр.,
сульфид и селенид кадмия, германат
висмута, окись цинка), к-рые приме-
применяются в акустоэлектронике в качест-
качестве материала для пьезополупроводни-
пьезополупроводниковых преобразователей.
Полярные пьезоэлект-
р и к и (пироэлектрики — см. Пи-
Пироэлектричество) подразделяются на
линейные пироэлектрнки и нелиней-
нелинейные (сегнетоэлектрики). Первые обла-
обладают собственным электрич. момен-
моментом, к-рый сохраняется при любых
темп-pax, внешних электрнч. полях
и механич. напряжениях вплоть до
химич. распада, плавления, электрич.
пробоя нли разрушения кристалла.
Диэлектрич. и пьезоэлектрич. посто-
постоянные у пироэлектриков этой группы
практически не зависят от электрич.
поля и механич. напряжений, как и
у неполярных П., но, как прави-
правило, имеют более высокие значения
(е ~ 10—30 и d до 40-Ю-12 Кл/Н).
Наиболее интересные их представи-
представители — турмалин, этилендиаминтар-
трат, тартрат калия, сульфат лития.
Пьезоэффект при всестороннем сжа-
сжатии и растяжении — одно из важней-
важнейших преимуществ этих кристаллов,
к-рое ранее использовалось при соз-
создании низкочастотных датчиков дав-
давления.
Сегнетоэлектрики отли-
отличаются от линейных пироэлектриков
относительно малой устойчивостью со-
состояния с отличным от нуля собствен-
278
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
ным электрич. моментом (спонтанной
поляризацией). Поэтому имеется воз-
возможность перевода кристалла в не-
неполярное состояние или изменения
направления его поляризации в ре-
результате изменения темп-ры, прило-
приложения внешнего поля или механич.
напряжений. Сегнетоэлектрики обна-
обнаруживают заметные нелинейные свой-
свойства, т. е. зависимость параметров от
внешних воздействий при относитель-
относительно невысоких значениях электрич.
полей и механич. напряжений. П.
этой группы обладают весьма высоки-
высокими относительными диэлектрич. про-
ницаемостями (е — 102—104) и пьезо-
модулями (d до 600-10-12Кл/Н), одна-
однако и большими, чем другие группы,
электрич. и механич. потерями, а так-
также заметной температурной зависи-
зависимостью свойств. Различают два вида
сегнетоэлектриков — монокристаллы
и поляризованные поликристаллы
(пъезокер амика).
Многие из сегнетоэлектрич. моно-
монокристаллов обнаруживают сильный
пьезоэффект только после поляриза-
поляризации в электрич. поле, т. к. в обычном
состоянии в них образуются области
(домены) с противоположно направ-
направленными и взаимно компенсирующими
друг друга электрич. моментами. Наи-
Наиболее сильным пьезоэффектом обла-
обладают сегнетова соль, дигидрофосфат
калия и аммония, триглицин сульфат,
сульфоиодид сурьмы. Обширная груп-
группа сегнетоэлектрич. монокристаллов
с решёткой типа перовскита, напр,
титанат бария и титанат свинца, нио-
бат натрия, как правило, в качестве
материалов для электроакустич. пре-
преобразователей не применяется. Эти
соединения широко используются
в виде пьезокерамики.
Среди пьезокерамики различных
составов титанат бария и его твёрдые
растворы (напр., с титанатом кальция)
вытесняются системой твёрдых раст-
растворов титаната-цирконата свинца
(PZT, или ЦТС), обладающей силь-
сильным пьезоэффектом. Путём введения
малых добавок других ионов можно
в широких пределах варьировать па-
параметры пьезокерамики PZT и свойст-
свойства изготовленных из неё пьезоэлек-
трич. преобразователей.
Представляет также интерес система
твёрдых растворов на основе ниоба-
тов и танталатов калия и натрия и не-
некоторые другие перовскитовые струк-
структуры. См. также Пьезоэлектрические
материалы.
Лит.: Мэзон У., Пьезоэлектрические
кристаллы и их применение в ультраакусти-
ультраакустике, пер. с англ., М., 1952; Физическая акус-
акустика, под ред. У. Мэзона, т. 1, ч. А, М.,
1966; Иона Ф., Шираке Д., Сегне-
тоэлектрические кристаллы, пер. с англ.,
М., 1965; Желудев И. С, Основы
сегнетоэлектричества, М., 1973; Яффе
Б., Кук У., Яффе Г., Пьезоэлектри-
Пьезоэлектрическая керамика, пер. с англ., М., 1974.
Р. Е. Пасынков.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕ-
МАТЕРИАЛЫ — кристаллические соедине-
соединения (диэлектрики и полупроводники),
обладающие хорошо выраженными
пьезоэлектрич. свойствами (см. Пьезо-
Пьезоэлектричество) и применяемые для
изготовления пьезоэлектрических пре-
преобразователей и пъезоэлементов.
Пьезоэлектрич. кристаллы — окис-
окислы и соли, как правило, содержащие
примеси,— достаточно широко рас-
распространены в природе в виде естест-
естественных минералов (кварц, турмалин,
цинковая обманка и др.), однако в по-
подавляющем большинстве важных для
практики случаев П. м. синтезируются
в лабораторных условиях или про-
промышленными методами (сегнетова
соль, пьезокерамика, ниобат лития
и др.).
П. м. используются в технике для
изготовления ньезоэлементов и пьезо-
пьезоэлектрич. преобразователей самого
различного назначения: для гидроло-
гидролокации, УЗ-вой техники, акустоэлек-
троники. Для изготовления пьезоэле-
мента П. м. выбирают, сопоставляя
параметры и характеристики, к-рые
определяют эффективность и стабиль-
стабильность работы пьезоэлектрич. преобра-
преобразователя с учётом его назначения и
условий эксплуатации (см. табл.).
Нек-рые их параметры и характери-
характеристики существенно зависят от конст-
конструкции пьезоэлемента, определяющей
взаимную ориентацию механич. сил
и электрич. полей в пьезоэлектрике,
поэтому при выборе П. м. необходимо
сопоставлять параметры, соответст-
соответствующие оптимальной для этого мате-
материала конструкции пьезоэлемента.
Свойства П. м. характеризуются
следующими основными величинами:
матрицами пьезомодулей d и диэлек-
диэлектрич. проницаемости е, коэфф. упру-
упругой податливости SE, скоростью рас-
распространения звуковых волн с (про-
(продольных, сдвиговых, поверхностных),
тангенсом угла диэлектрич. потерь
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
279
tg6, механич. добротностью Q, плот-
плотностью р, предельно допустимой тем-
температурой в (темп-рой Кюри для се-
гнетоэлектриков). Во многих случаях
оценить П. м. применительно к раз-
различным режимам и условиям работы
пьезоэлектрич. преобразователя (в ча-
частности, в качестве приёмника или
излучателя ультразвука) оказывается
удобнее параметрами, в к-рые выше-
вышеперечисленные величины входят в виде
различных комбинаций. К числу таких
наиболее важных параметров относят-
относятся: 1) коэффициент электромеханиче-
электромеханической связи Kik для квазистатич. ре-
режима. Его величина с достаточной точ-
точностью определяется выражением:
к - dtk
' it hit
а
где е( — относительная диэлектрич.
проницаемость, е0 — диэлектрич. про-
проницаемость вакуума (в системе СИ).
Значение К^, определённое для слу-
случая, когда длина звуковой волны со-
соизмерима с размерами пьезоэлемента
(так называемый динамический коэфф.
связи К ), оказывается иным, при-
ik a
чём всегда К ^ Кц,. 2) Величина
Е
(dik/Sk >Ji определяющая чувстви-
чувствительность излучателя по напряжению.
3) Величина K*k/tgb, которая входит в
выражение электромеханического кпд
преобразователей (чем она больше,
тем выше кпд). 4) Величина dih/e ..,
определяющая чувствительность при-
приёмника звука в режиме холостого хода.
5) Величина d^fy е( , определяющая
минимальный сигнал, который может
быть принят приёмником на фоне
электрич. шумов схемы при оптималь-
оптимальном его согласовании со входом усили-
усилителя. 6) Механическая добротность Q,
определяющая акустомеханич. кпд из-
излучателя при заданной нагрузке, по-
полосу частот пропускания электроме-
ханич. фильтров, качество линий за-
задержки.
Большое значение для мощных из-
излучателей звука, и в особенности для
излучателей, используемых в УЗ-вой
технологии при малом сопротивлении
акустич. нагрузки, имеет предельно
допустимое механич. напряжение,
к-рое зависит от механич. прочности
материала при растяжении.
Для мощных излучателей весьма
важна также амплитудная зависимость
свойств материала, т. к. при наличии
заметной амплитудной зависимости на-
25
3 Е «В/см
Рис. 1. Возрастание тангенса диэлектри-
диэлектрических потерь с увеличением эффективно-
эффективного значения возбуждающего электриче-
электрического поля.
рушается линейный режим работы
преобразователя и происходит пере-
перекачка энергии в высшие гармоники.
Особенно вредными эффектами в этом
случае являются падение Q с ростом
амплитуды механич. напряжения и
увеличение tg6 с ростом амплитуды
возбуждающего поля (рис. 1 и 2).
ЦТС-23
Рис. 2. Зависи-
Зависимость механиче-
механической добротно-
добротности (относитель-
(относительной) от ампли-
амплитуды механиче-
механического напряже-
напряжения.
50 100 150 ат,нгс/см*
В излучателях, используемых в гид-
гидролокации и УЗ-вой технологии, важ-
важной характеристикой П. м. является
также зависимость их свойств от ста-
тич. напряжений сжатия, обусловлен-
обусловленных гидростатич. давлением среды
или самой конструкцией пьезоэлек-
пьезоэлектрич. преобразователя.
Кристаллы кварца, несмотря на их
сравнительно низкие пьезоэлектрич.
константы, применяются в тех слу-
случаях, когда требуются высокая меха-
*-
"--
а
* я
р
ль-
СЛ
—3 СО
to
о
о
s
"* о
СЛ CO
1
140
ел
СЛ
о
о
#¦
со
со
*~
о
о
2 о-
СО 00
-о -о
•— 00
со о
о о
о о
to
** со
5
о
СЛ
00
to
вдоль
(ОСИ 3
1
Е
й СП
р
К
Л
<-
СЛ
СО
*¦-
СЛ
о
о
00
СЛ
to
с
О
*¦-
о
о
о
со
to
со
о
о
OS
со
о
я
ьезоэл
CD
1
В
Е
со
(I.)
О
СО
Ниобат ли
S
а
9
О5
СЛ
00
S
-
§
.?"
о
со
S
*-*
to
1
V
о
V
О
to
S
to
о
>-*
1
о
СЛ
ГО
03
со
иси
Сульфоиод
@°С) .
ид су
в V
to
§
со
о
C3)
33)
»-.
о
СЛ
о
о
о
00
33)
225
OS
о
"о
1
со
со
>~
1
|-|
а
03
о
ю
№
а
а
ста
S
Сегнетова
соль
9
е
,77
со
t ¦
B2)
СО
о
(II
275
V
о
OS
СЛ
53,6
\/
оо
о
00
14,7
to
*~
О
рез
при
рас
хим
я ээьи
со-
р
и
я
я
СЛ
О
i
to
,05
Й
о
"со
to
СЛ
со
л
V
о
о
со
о
о
СЛ
V
о
СЛ
со
СЛ
1
1
о
рез
о
О "i
si
» °*
00
со
со
СЛ
СО
СЛ
"os
33)
со
>f>
"о
О)
л
V
о
о
00
0,21
00
OS
СЛ
о
о
рез
45° Z
0)
•в
й
*
.
to
OS
СЛ
*-
1л
(И)
to
to
со
л
СЛ
V
о
о
о
СЛ
о
о
со
со
у
о
о
СЛ
>-*
1
1
п
рез
о
Пьезозл
ектри
я
Плотность р, 103кг/м3
Скорость звука
сц, 103 м/с
Относительная ди-
диэлектрическая прони-
проницаемость е°
Коэффициент упругой
податливости
SL' 10~" м2/Н
Пьезомодуль
difc, 10-» Кл/Н
Тангенс угла диэлек-
диэлектрических потерь
tg6, 10 '
Механическая доброт-
добротность Q
Коэффициент электро-
электромеханической связи
Kik
Параметр излучения
Параметр излучения
Параметр приёма
(<We°), 10-» Кл/Н
Параметр приёма
Температура Кюри
©, °С
Статическая проч-
прочность на разрыв
ар, 10«Н/мг
Я
1
i
a
apa
13
28f
CM
OO
Ю
ОС
<м
да
CM
CM
OO
CO
о
CO
о
о
о
со
«ч
•*
-л*
тЧ
о
ОО
о
о
-ч
о
1
1—-О
О СМ
1—
<м
со
¦о
о
тЧ
см
со
¦*.
со
Г.-2
н
о
о
1ft
¦"""
о
СО
ер
о
00
со
со
!—
t—
о
га
о
см
см
со
о
тЧ
о
eg
о
.о
CD
о
ift
со
см о
to
т* со
СО
^5
со
"*""
о
о
со
N
со
сч
со
см
со
ш
а
да
OS
о
см
1X1
см
см
OS
OS
о
о
со
о
со
о
о
t~
ift
о
-*
(М
t-
о
о
to
1
OS О
т* OS
о |о
о с<:
со
СО
Ч-Н
о
<м
о
о
см
OS j<X!
«L
со
я
м
о
и
(XZd) Э1Й
S
ев
а
огласно
<->
*
OS
CD
со
OS
Ч-Н
OO
о
о
о
1X1
<м
OS
со
о
to
о
й
лева
й
фирмы
(США)
тЧ
-
тЧ
о
сч
ео
с
t—
L—
ift
t—
о
CM OS
о
о
о
со
ОО
N
к
о
С?)
ift
со
^4
(М
см
ЙЙНИЯЭ
-0Н11ИП-В1,ВНЕ1.И1,
ее
S
р
изгиб
*
*
OS
to
о
о
со
-«с
OS
СМ
OS
CD
со
OS
о
о
1X1
1-1
о
1X1 <М
OS
о
со
to
о
о
о
1
О О
со
OS
¦*"•
t.
со
о
о
о
тЧ
со
^4
СО
1X1
00
N
dj
о
о
о
о
X
S
о
еля!
1
о
я
о
се
S
р.
о
S3
с
то-
I0C
м
к
Й*
се
s
верх!
9
«й
се
л
о
со
%
а
1
ю
о
о
V
оле
при п
3
S
а
я
алло
и
S
а
о
" 3 S
а •; в"
f » в
3 .- m
л
1X1 Зн
44 ч_^
V
е-" . -щ
ft «>
V
33 P. W
a s I;
н S „,
fill
I з"
I
15
нич. добротность и стабильность по
отношению к изменению темп-ры
(напр., в электромеханич. фильтрах
и различных стабилизирующих устрой-
устройствах). В нек-рых случаях вместо
кварца в фильтрах удаётся использо-
использовать более эффективную, но менее
стабильную пъезокерамику. Кристал-
Кристаллы ADP, сульфата лития и сегнетовои
соли как П. м. для излучателей и при-
приёмников звука практически полно-
полностью вытеснены пьезокерамикой, вви-
ввиду её более высокой пьезоэлектрич.
эффективности, стабильности и воз-
возможности промышленного изготовле-
изготовления из неё пьезоэлементов сложной
конфигурации. Использование кри-
кристаллов сегнетовои соли, несмотря на
их очень высокую чувствительность
в режиме приёма, ограничено из-за
низкой темп-ры Кюри, нестабильно-
нестабильности их свойств, малой прочности и
гигроскопичности. Кристаллы сегне-
тоэлектрика — полупроводника суль-
фоиодида сурьмы SbSI — обладают-
высоким пьезоэффектом при действии
всестороннего давления и в этом ка-
качестве представляют интерес для гид-
роакустич. приёмников звука (гид-
(гидрофонов).
Для мощных излучателей, в к-рых
можно опасаться их разогрева, пред-
предпочитают пьезокерамику с высо-
высокой механич. добротностью, малыми
электрич. потерями и большой вели-
величиной KzJtgb, т. е. ЦТС-23, PZT-8,
ТБК-3 (см. табл.). В тех случа-
случаях, когда нагревание несущественно,
а также в режиме приёма целесообраз-
целесообразно применять пьезокерамику с высо-
высокими значениями пьезомодуля и со-
соотношений (<WSftft'J и dihlrt]i —
ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, PZT-5H. На вы-
высоких частотах, когда резонансные
размеры элементов малы, предпочти-
предпочтительны пьезокерамики с относительно
высокой скоростью звука.
Наиболее сильно от темп-ры и дав-
давления зависят параметры сегнетовои
соли и сульфоиодида сурьмы, что
обусловлено близостью рабочих
темп-р к Кюри точке (см. Сегнетоэлек-
тричество). У пьезокерамики, осо-
особенно у составов типа ЦТС, зависимо-
зависимости от темп-ры выражены не столь
сильно, т. к. точка Кюри располо-
расположена в области достаточно высоких
темп-р. Изменение резонансной часто-
частоты в интервале темп-р 30—40 °С до-
282
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
стигает 1,5—2,0% (у сегнетовой соли
до 40%), пьезомодуля и диэлектрич.
проницаемости — 10—20%. Зависи-
Зависимость параметров пьезокерамики от
всестороннего давления весьма слаба,
однако при действии одностороннего
давления вдоль оси поляризации из-
изменение (уменьшение) пьезомодулей
различных составов при давлении
10е Н/м2 может достигать 30—70%,
а увеличение диэлектрической прони-
проницаемости — от 5 до 60%. При полях
Е > 1 кВ/см следует учитывать за-
зависимость параметров пьезокерамики
Я"Н1 dik, tg6 от величины Е.
Искусственно выращиваемые кри-
кристаллы ниобата лития, танталата ли-
лития, германата свинца находят при-
применение в УЗ-вой технике в области
СВЧ диапазона (вплоть до ГГц) и
в акустоэлектронике благодаря чрез-
чрезвычайно малому затуханию в них аку-
акустических волн, как объёмных и сдви-
сдвиговых, так и поверхностных.
Свойства этих кристаллов позволя-
позволяют пр!(менять их и в акустооптипе.
Для пьезополупроводниковых преобра-
преобразователей в линиях задержки и дру-
других устройствах акустоэлектроники
используются CdS, ZnO, GaAs и др.
полупроводниковые кристаллы, обла-
обладающие пьезоэффектом.
Лит.: К э д и У., Пьезоэлектричество
л его практические применения, пер. с англ.,
-М., 1949; М э з о н У., Пьезоэлектрические
кристаллы и их применения в ультраакусти-
ультраакустике, пер. с англ., М., 1952; Физическая аку-
акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1,
ч. А, М., 1966, гл. 3; Матаушек И.,
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М.,
1962; Ультразвуковые преобразователи, пер.
<; англ., М., 19V2; Г л о з м а н И. А.,
Пьезокерамика, 2 изд., М., 1972; С м а-
жевская Е.Г., Фельдман Н. Б.,
Пьезоэлектрическая керамика, М., 1971;
Яффе В., Кук У., Яффе Г., Пьезо-
Пьезоэлектрическая керамика, пер. с англ., М.,
1974. Р. Е. Пасынков.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕ-
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — электромеханиче-
электромеханический, или электроакустический пре-
преобразователь, действие к-рого основа-
основано на пьезоэлектрич. эффекте (см.
Пьезоэлектричество). Основная часть
П. п. состоит из отдельных или объе-
объединённых в группы электрически и
механически связанных друг с другом
пьезоэлементов. В свою очередь пьезо-
•алементы или их группы в зависимо-
-сти от назначения и устройства П. п.
могут быть конструктивно связаны
<, пассивными механич. элементами,
напр. металлич. накладками, концен-
концентраторами колебаний, пластинами или
оболочками, мембранами.
П. п. применяются в различных об-
областях техники (УЗ-вой технологии и
дефектоскопии, гидролокации, радио-
радиовещании, виброметрии, радиоэлектро-
радиоэлектронике, а также в акустоэлектронике)
в качестве излучателей ультразвука
и приёмников, элементов гидроакусти-
гидроакустических антенн, микрофонов и гидрофо-
гидрофонов, цьезоэлектрич. трансформаторов,
резонаторов, фильтров и др. Соответ-
Соответственно этому весьма широк диапазон
рабочих частот П. п.— от единиц Гц
в сейсмич. исследованиях до ГГц
в акустоэлектронике.
В зависимости от назначения и диа-
диапазона рабочих частот в П. п. исполь-
используются различные пьезоэлектрические
материалы. Наиболее широкое рас-
распространение получили П. п. из пьезо-
пьезокерамики, применение к-рой позволяет
придавать П. п. необходимую форму,
использовать различные виды дефор-
деформаций и формы колебаний механич. си-
систем (см. табл.) и обеспечивает высо-
высокую эффективность П. п.
П. п.— излучатели, вибраторы, ре-
резонаторы — используются в узком ди-
диапазоне частот вблизи резонанса их
механич. системы, а П. п.— приёмни-
приёмники — в широком диапазоне частот вне
резонанса. В зависимости от диапа-
диапазона частот, назначения и условий ра-
работы применяются П. п. различных
типов. В области высоких частот
(> 100 кГц) преимущественно исполь-
используют П. п. в виде оболочек и пластин,
совершающих колебания по толщине
(табл., № 1,в). На частотах выше 10 МГц
и в гигагерцевом диапазоне исполь-
используют специальные П. п. в виде весьма
тонких пластин или плёнок из пьезо-
пьезополупроводниковых материалов (см.
Пъезополу проводниковые преобразова-
преобразователи). При резонансных рабочих ча-
частотах ~40—100 кГц применяются
стержни, совершающие продольные
колебания (табл., № 1,о, №1,6), при-
причём для уменьшения рабочих элек-
трич. напряжений производят сек-
секционирование стержней — склеивание
пьезоэлементов малой толщины при
параллельном соединении их электро-
электродов (табл., № 1,6). При ещё более
низких частотах используют составные
П. п. в виде стержней, сочленённых
с пассивными накладками (рис. а, б),
что позволяет уменьшить габариты
П. п. и улучшить условия его согласо-
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
283
вания с нагрузкой. Роль согласовате-
ля П. п. с нагрузкой в установках тех-
нологич. применения УЗ выполняют
механич. трансформаторы скорости,
в частности для увеличения амплиту-
амплитуды колебаний УЗ-вых инструментов,—
концентраторы в виде стержней пере-
переменного сечения (рис. в), в ваннах
\
1
\
г
Виды конструк-
конструкций пьезоэлект-
пьезоэлектрических преоб-
преобразователей: а,
б — стержневые
с пассивными на-
накладками, в — с
г — с диафрагмой, д —
с мембраной; 1 —
концентратором,
биморфные пластины
пьезоэлементы, 2 — пассивные элементы.
УЗ-вой очистки — излучающие диаф-
диафрагмы (рис. г). В качестве излучателей
и приёмников звука (в водной среде)
применяются П. п. в виде пьезокера-
мич. колец с использованием попереч-
поперечного и продольного пьезоэффекта
(табл., № 2), причём в последнем слу-
случае производят секционирование коль-
кольца. Такие П. п. работают в относи-
относительно широкой полосе частот и об-
обладают ненаправленным излучением
в плоскости, перпендикулярной оси
кольца.
В области частот ниже 5—10 кГц
применяют П. п. в виде биморфных
пластин, совершающих поперечные из-
гибные колебания (табл., № 5, 6 и
рис. д) или крутильные колебания.
Свойства таких П. п. существенно за-
зависят от условий закрепления пла-
пластин. Как правило, пластинчатые
П. п., работающие на колебаниях из-
изгиба, используются в широкой полосе
частот ниже частоты резонанса, но
иногда — и как резонансные низко-
низкочастотные излучатели. П. п. в виде
полых пьезокерамич. сфер, поляризо-
поляризованных по толщине (табл., № 3), при-
применяются как широкополосные нена-
ненаправленные гидрофоны при работе на
поперечном пьезоэффекте в диапазоне
частот ниже резонанса радиальных ко-
колебаний сферич. оболочки.
Расчёт П. п. как одного из ви-
видов электромеханич. преобразователей
имеет целью установить связь между
величинами электрическими (напряже-
(напряжение на электродах U, ток через пре-
преобразователь /) и механическими (при-
(приложенная к механич. системе сила F,
смещение | или колебательная ско-
скорость и). При расчётах П. п. может
быть замещён электромеханич. схемой,
эквивалентной ему с точки зрения рас-
расчёта соотношения между электрич. и
механич. (акустич.) величинами. При
этом «ток» vm чаще всего соответствует
скорости колебаний нек-рой точки
на поверхности механич. системы
П. п., выбираемой в качестве центра
приведения. Выражения для эквива-
эквивалентных параметров П. п. (см. электро-
электромеханич. схему рис. 2 в статье Элек-
Электроакустический преобразователь) да-
даны в таблице, где Мэкв и Сэкв экви-
эквивалентные масса и податливость,
п — коэфф. электромеханич. транс-
трансформации, 8 — динамич. диэлектрич.
проницаемость.
После определения эквивалентных
параметров расчёт П. п. по эквива-
эквивалентной схеме производят обычным
для электротехники образом. Свойст-
Свойства П. п. как приёмника звука характе-
характеризуют величинами чувствительности
холостого хода vxx = Usblx/p (где р —
звуковое давление в свободном поле)
и внутреннего сопротивления ZBH.
На частотах ниже резонанса |ZBH| =а
^ 1/соСэл (где Сзл — электрическая
ёмкость заторможенного преобразова-
преобразователя). Удельная чувствительность ни-
ниже резонанса равна: у =» v . ~[/a>C:ilI.
Свойства П. п., используемых в ка-
качестве электромеханич. фильтров и
резонаторов, существенно зависят от
величин их эффективных коэффициен-
коэффициентов электромеханической связи ЛГэфф
и механич. добротности QMex- В соот-
соответствии со схемой рис. 2 (в ст. Элек-
Электроакустический преобразователь)
ЛГэфф определяется соотношением:
эФФ 1 + Сэл/п2-Сэкв '
добротность <?мех — выражением:
VMex = '"m-'^экв/''мп
(где сот — резонансная круговая ча-
частота П. п., гМП — сопротивление
трения), а механодвижущая си-
284
Виды колебательных систем преобразователей и их
Вид пьезоэлектрических
преобразователей
Форма колебаний
Низкие частоты
Bх\
1 j-)
Область резонанса
v (х) = vm cos -р
26.4s-
p- 7 у 7 -?¦
¦i^/l /i /1 z1! A A. A
a-S-J
¦Af
Л
\,x
V (х) = Vm ¦ COS -т-
v (ж) = i;m-cos-
h ' S,
2nh--
© == vm
s,,
e'
c,,
Первый резонанс
J1B,05r/a)
<r) = Vm J, B,05)
Второй резонанс
E,38 r/a)
г> (r) = »;
J,E,38)
2ла.-
¦» (oc) = vm sin -j-
rf,i
2i Su
— 0,04-2,, B,2 r/o)]
I7+ S,,
Примечание. ДГ — полная масса преобразователя; о — скорость колебаний;
упругие' податливости при постоянной напряжённости электрического поля, е° не* —
и зажатого пьезоэлемента, К3» — коэффициент электромеханической связи; е33 — пьезоэлек
сти при постоянной напряжённости электрического поля; J и I — функции Бесселя 1-го и
285
характеристики
Мэк,
М
М
2
М
2
М
2
Ы
м
0,8 М
0,97 М
0,5 М
0,3 М
Сэкв
26*
2V
п'Ы
по Т 1 ~~~ -Кзз
Л2Ь* 8 Jf2
a-S31!
8я*
3,2nftS,i
s:,-sf,
28nftS,,
s2 — s!
Л4Ь*3 Su
12a* Sii~Si*
ла П. п.— излучателя — величиной:
FMa = Un ~ EdlSE(E — напряжён-
напряжённость электрич. поля, d и SE — соот-
соответствующие пьезомодуль и упругая
постоянная материала). Кпд П. п.
существенно зависит от величины со-
сопротивления нагрузки гн, на к-рую
работает преобразователь, и от вели-
величин механич. гмп и электрич. Лэп со-
сопротивлений преобразователя, к-рые
определяются соотношениями:
Пип = ш^экв/<?мех.
диэлектрич. потерь
— пьезоэлектрические модули, S (иливЕ) —
диэлектрические проницаемости свободного
трическая постоянная, С33 — модуль упруго-
2-го рода соответственно.
где 8 — угол
в П. п.
При наиболее распространённых ус-
условиях использования П. п. кпд мо-
может иметь величину 40—70%. Макси-
Максимальная мощность, к-рую может раз-
развивать П. п., ограничивается вели-
величинами допустимых напряжённостей
электрич. поля Елоа и механич. дина-
мич. напряжений адоп (поскольку
vm — адоп) в П. п., а также его разо-
разогревом.
Для увеличения динамич. прочно-
прочности П. п. упрочняют путём создания
в них механич. напряжений сжатия,
что, напр., на стержневых преобразо-
преобразователях из пьезокерамики достигается
с помощью стяжного болта (рис. б).
Значения напряжений сжатия при
такой стяжке определяются как пьезо-
материалом, свойства к-рого не долж-
должны существенно изменяться, так и кон-
конструкцией П. п.
Величины ограничивающих факто-
факторов существенно зависят от выбора ма-
материала и от уровня технологии изго-
изготовления П. п. У современных П. п.
из керамики ТБК-3 они достигают:
Ядоп — 2-1°6 в/м' °доп — 7-Ю7 Н/м2
для несклеенных пьезоэлементов,
адоп—35-Ю7 Н/м2 при упрочнении
поджатием с а = адоп. Интенсивность
излучения в воду пьезокерамич.
преобразователей наиболее распро-
распространённого типа в диапазоне частот
— 10 кГц может достигать 5—
10 Вт/см2, чувствительность широко-
широкополосных гидрофонов из пьезоке-
пьезокерамики в килогерцевом диапазоне
составляет 100—200 мкВ/Па.
Лит.: Гутин Л. Я., Избр. труды,
М., 1977; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966;
Харкевич А. А., Теория преобразо-
преобразователей, М.— Л., 1948; Ультразвуковые
преобразователи, пер. с англ., М., 1972.
Б, С. Аронов, Р. Е. Пасынков,
286
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — возник-
возникновение электрич. поляризации (ин-
(индукции) под действием механич. на-
напряжений или возникновение дефор-
деформации под действием электрич. по-
поля в нек-рых анизотропных диэлек-
диэлектриках и полупроводниках. Если пье-
пьезоэлектрич. пластинку, вырезанную
определённым образом (см. Пьезоэле-
мент), подвергнуть действию меха-
механич. напряжений (сжатию, растяже-
растяжению, сдвигу), то на её поверхности
появляются электрич. заряды, обус-
обусловленные поляризацией,— т. н. пря-
прямой пьезоэффект; а при внесении пла-
пластинки в электрич. поле возникает де-
деформация, линейно зависящая от на-
напряжённости электрич. поля,— обрат-
обратный пьезоэффект. Механизм пьезо-
эффекта объясняется возникновением
или изменением дипольного момента
элементарной ячейки кристаллич. ре-
решётки в результате смещения зарядов
под действием механич. напряжений
(прямой пьезоэффект). При действии
электрич. поля на элементарные за-
заряды в ячейке происходит их переме-
перемещение и как следствие — изменение
средних расстояний между ними, т. е.
деформация (обратный пьезоэффект).
Пьезоэлектрич. эффект был открыт в
1880 П. и Ж. Кюри, наблюдавшими его
у кварца и нек-рых др. кристаллов.
Известно более 1500 соединений, обла-
обладающих пьезоэлектрич. эффектом.
Необходимое условие существова-
существования пьезоэлектрич. эффекта — отсут-
отсутствие у кристалла центра симметрии.
Только в этом случае приложение
механич. напряжений может привести
к появлению нескомпенсированного
электрич. заряда, т. е. к возникнове-
возникновению поляризации. В ряде сложных
кристаллич. структур электрич. за-
заряды располагаются столь несиммет-
несимметрично, что даже в отсутствии внеш-
внешних воздействий «центры тяжести» по-
положительных и отрицательных заря-
зарядов не совпадают, т. е. кристаллы само-
самопроизвольно (спонтанно) поляризо-
поляризованы. Такие диэлектрики наз. пиро-
электриками (см. Пироэлектричество).
Деформация же под действием элек-
электрич. поля наблюдается у всех ве-
веществ, независимо от симметрии. Поэ-
Поэтому обратный пьезоэффект необхо-
необходимо отличать от электрострикции,
к-рая имеет место у всех диэлектриков
и, в частности, у кристаллов с цент-
центром симметрии.
Все кристаллы по свойствам сим-
симметрии разделены на 32 класса, из
них кристаллы 20 классов не имеют
центра симметрии и являются пьезо-
электриками; в это число входят
10 классов пироэлектриков (напр.,
диэлектрик турмалин), в частности
сегнетоэлектрики (напр., титанат ба-
бария, сегнетова соль, дигидрофосфат
калия), обладающие, как правило,
наиболее сильно выраженным пьезо-
эффектом. Пьезоэлектрич. эффект на-
наблюдается также у нек-рых полупро-
полупроводников, напр, у сегнетоэлектрика —
сульфоиодида сурьмы и пьезоэлектри-
ка — сульфида кадмия. Однако у кри-
кристаллов с достаточно высокой электро-
электропроводностью наблюдение и использо-
использование пьезоэффекта затруднены из-за
быстрой компенсации возникающих
в них зарядов свободными электрона-
электронами или ионами или невозможность!»
создания по аналогичной причине де-
деформирующего кристалл электриче-
электрического поля.
Следует различать естественный
пьезоэффект, к-рый наблюдается у
нек-рых монокристаллов (напр., у
кварца, турмалина, сегнетовой со-
соли), и искусственный пьезоэффект,
к-рый может быть создан у нек-рых
диэлектриков в результате образова-
образования т. н. пьезоэлектрич. текстуры,
т. е. полярной анизотропии, достигае-
достигаемой специальной обработкой элек-
электрич. полем (напр., поляризованные
поликристаллич. сегнетоэлектрики —
пъезокерамика и диэлектрики — элект-
электреты) или механич. обработкой (напр.,
древесина с определённым образом
ориентированными волокнами). Наи-
Наиболее сильный пьезоэффект имеет ме-
место у нек-рых монокристаллов и
у пьезокерамики; именно эти пьезо-
электрики широко используются в раз-
различных областях техники для возбуж-
возбуждения и приёма акустич. колебаний,
в электромеханич. фильтрах, пьезо-
трансформаторах и т. д. (см. Пьезо-
Пьезоэлектрические преобразователи).
При расчёте большинства устройств,
работающих на основе пьезоэлектрич.
эффекта, пьезоэлектрич. свойства ди-
диэлектриков и полупроводников выра-
выражаются обычно в виде линейной обра-
обратимой связи между компонентами тен-
тензоров механич. напряжений а или де-
деформаций и, с одной стороны, и со-
составляющими векторов электрич. по-
поляризации Р (индукции D) или элек-
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
287
трич. поля Е — с другой. Феноменоло-
гич. теория П. основывается на пред-
представлениях об изменении термодина-
мич. состояния кристаллич. тела в ре-
результате внешних воздействий — при-
приложения механич. напряжений, элек-
трич. полей и изменения темп-ры. При
этом ур-ния пьезоэффекта получаются
из условий равновесия кристалла,
т. е. минимумов соответствующих тер-
модинамич. потенциалов, определяю-
определяющих обратимые процессы, к-рые про-
происходят в кристалле при изменении
внешних условий. Эти термодинамич.
потенциалы представляются в виде
разложения в степенные ряды по соот-
соответствующим независимым перемен-
переменным: составляющим вектора электрич.
поля Ех или поляризации Р\ и ком-
компонентам тензоров деформации «^ или
механич. напряжения а^ (i = 1,2,3
или i = x,y,z\ к = 1, ..., 6 или
к= хх, уу, zz, yz, xz, xy). Ограничи-
Ограничиваясь в разложении членами поряд-
порядка не выше PiPj, EiEj, ahahf, okPi,
uhuk,, uhE% и т. д., получают 8 ур-ний
пьезоэффекта, к-рые в матричной фор-
форме имеют вид:
а = СРи — htP A, а)
tfP A, б)
д
I а = СР
\ E = —
( a =
\ Р =
I u=Sp
\ E = —
I
I
a =CEu —
Р = еи +
u=Spa
B, а)
B, б)
C, а)
C, б)
?Еа + dtE D, а)
P=da-\--?E D, б).
Здесь а? > 0 и ^ > 0, если имеет
место растяжение (при этом гидроста-
тич. давление <Г 0); компоненты мат-
риц имеют следующий смысл: С . и
Е р
С kk, — постоянные упругости; Sлщ, и
ShH> — коэфф. упругой податливости
(модули упругости), значки Р и Е соот-
соответствуют постоянству поляризации
(индукции) и поля (к, к' = 1, ..., 6);
ци, г\а — обратные диэлектрич. вос-
восприимчивости соответственно при по-
постоянстве деформации и или механич.
напряжения a (i, j = 1, 2, 3); hih,
gib, е\ъ, dik — пьезоэлектрич. посто-
постоянные; знак / обозначает транспониро-
транспонированную матрицу, т. е. перемену ме-
местами строк и столбцов. Вообще, для
любой из величин имеют место соот-
соотношения: ay = a^j, akk' = ak'k, HO
aih Ф aki- Величину djft наз. п ь е-
зомодулем. Если вместо поляри-
поляризации в качестве переменных удобно
использовать составляющие электрич.
индукции Di, то их можно ввести
в ур-ния A—4) на основе определе-
определения: D = еЕ = E+inP, где е = 6 +
+ 4ях! б = q |3 , 8 — тензор ди-
диэлектрич. проницаемости. В этом слу-
случае ур-ния B,6) и D,6) запишутся
соответственно:
D = 4тсе« -f- zuE и D = Anda -f- e"?
(при использовании системы СИ мно-
множитель 4я опускается). Аналогичным
образом, вводя тензор диэлектрич. не-
непроницаемости г* = е, можно пере-
переписать ур-ния A) и C). Выбор тех
или иных ур-ний и соответственно по-
постоянных диктуется физич. условия-
условиями, в к-рых находится пьезоэлектрик,
т. е. граничными условиями. Напри-
Например, при закреплении кристалла, ко-
когда некоторые или все компоненты
«й = const = 0, в расчётах следует
использовать диэлектрич. восприимчи-
восприимчивости хи или проницаемости ги.
При закорачивании электродов поле
Е = const = 0, поэтому удобно поль-
пользоваться коэфф. упругой податливо-
податливости iSftfe. и т. д. Наиболее сильные от-
отличия между постоянными, определён-
определёнными при различных условиях, в
которых находится пьезоэлектрик, на-
наблюдаются у сегнетоэлектриков. Меж-
Между матрицами указанных выше по-
постоянных имеют место следующие со-
соотношения:
h = ¦*]« е = gCP, e = xuh = dCB,
Sik = Sik -f- 2 Zimdmh'
i\tj = ¦»)</ + 2 himSmj-
E)
Принадлежность пьезоэлектрика к то-
тому или иному классу кристаллич. сим-
симметрии, обозначенной с помощью при-
принятой для этой цели международной
символики, определяет количество раз-
различных членов в разложении термо-
термодинамич. потенциалов и соответствен-
соответственно этому — структуру матриц упру-
упругих, диэлектрич. и пьезоэлектрич. по-
постоянных, фигурирующих в ур-ниях
пьезоэффекта A—4). Чем ниже сим-
симметрия кристалла, тем больше число
288
ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ
различных компонент матрицы пьезо-
электрич. постоянных, напр, для мо-
моноклинной системы (сульфат магния)
это число равно 8, для тригональной
(кварц) — 5, для тетрагональной (ти-
танат бария) — 3.
Уравнения пьезоэффекта A—4) спра-
справедливы в рамках линейной теории,
т. е. при относительно слабых внеш-
внешних воздействиях. При больших меха-
нич. напряжениях и электрич. полях
следует не только учитывать более
высокие степени в разложении тер-
модинамич. потенциалов (при этом
ур-ния 1—4 становятся нелинейными),
яо и иметь в виду возможность появ-
появления необратимых изменений, напр,
электрического, механического и элек-
электромеханического гистерезисов, что
существенно для сегнетоэлектриков и,
в частности, для нек-рых разновидно-
разновидностей пьезокерамики. Кроме того,
ур-ния A—4) справедливы лишь для
статич. случая, т. е. для случая, когда
входящие в них переменные не зависят
от координат. Если в пьезоэлектрике
возбуждаются упругие волны, то де-
деформация, поляризация и соответст-
соответственно все другие переменные не явля-
являются однородными, т. е. зависят от
координат, поэтому ур-ниями A—4)
можно пользоваться лишь для малых
элементов объёма системы, внутри
к-рых «k, o"k, Di, Ei приближённо мож-
можно считать однородными величинами.
В этом случае ур-ния A—4) наз. мест-
местными ур-ниями пьезоэффекта. Если
длина звуковой волны соизмерима
с размерами колеблющегося образца
пьезоэлектрика, то различные пара-
параметры, характеризующие пьезоэлек-
трич. преобразователь,— механич. и
электрич. импедансы, коэфф. электро-
механич. связи и др. — определяются
в результате интегрирования ур-ний
движения элементарных объёмов пье-
зоэлемента совместно с местными
ур-ниями пьезоэффекта.
Лит.: К э д и У., Пьезоэлектричество
и его практические применения, пер. с англ.,
М., 1949; Мэзон У., Пьезоэлектрические
кристаллы и их применения в ультрааку-
ультраакустике, пер. с англ., М., 1952; Физическая
акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ.,
т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 3; И о н а Ф., Ш и-
р а н е Д., Сегнетоэлектрические кристал-
кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Сегнетоэлектри-
ки и антиеегнетоэлектрики, Л., 1971; Же-
л уд ев И. С, Физика кристаллических
диэлектриков, М., 1968. Р. Е. Пасынков.
ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ — изготовленная
из пьезоэлектрического материала
деталь простой геометрич. формы
(стержень, пластина, диск, цилиндр
и т. п.) с нанесёнными на определённые
её поверхности электродами, являю-
являющаяся основой пьезоэлектрического
преобразователя. С электродов П. сни-
снимается электрич. заряд, образующийся
при прямом пьезоэффекте, или к ним
подводится электрич. напряжение для
создания деформации в результате
обратного пьезоэффекта. П. выреза-
вырезается из кристалла или изготавливает-
изготавливается из пьезокерамики таким образом
(с учётом расположения электродов),
чтобы взаимная ориентация механич.
сил и электрич. полей (индукций)
обеспечивала для данной кристаллич.
системы, обладающей определённой
симметрией, реализацию прямого или
обратного пьезоэффекта с
возникновением пормаль-
г них колебаний заданного
типа. Напр., для создания
Рис. 1. Примеры
срезов кристал-
кристаллов и ориентация
электродов по от-
отношению к кри-
сталлографиче-
сталлографическим осям.
колебаний по толщине пластины кварца
переменное напряжение подводится к
электродам, нанесённым на её большие
грани, причём пластина вырезается
так, что ось х (рис. 1,а) кристалла
совпадает с её толщиной (срез Ох),
и, следовательно, величина деформа-
деформации определяется пьезомодулем dn.
При возбуждении колебаний пьезоке-
рамич. пластины по длине (рис. 1,6)
электроды располагаются на больших
её гранях, ориентированных перпен-
перпендикулярно оси спонтанной поляриза-
поляризации Pz (ось z), и деформации в этом
случае определяются пьезомодулем
d31; колебания такой пластины по
толщине определяются пьезомодулем
d33. При использовании кристаллов
ПЬЕЗОЭФФЕКТ
289
сегнетовой соли (рис. 1,в) для приёма
акустич. колебаний пластина выреза-
вырезается так D5° Х-срез), чтобы прило-
приложенная к узкой грани сила F вызы-
вызывала в материале сдвиговое напряже-
напряжение а44, и тогда на электродах, нане-
нанесённых на грани, перпендикулярные
оси х, возникает заряд, определяемый
пьезомодулем dl4/2.
Прямоугольная пластина (рис. 2,а)
обычно используется для возбуждения
или приёма акустич. волн на резонанс-
Рис. 2. Простейшие типы пьезоэлементов.
ных колебаниях по толщине, реже —
для работы вблизи резонансов, опре-
определяемых её длиной или шириной (по-
(поверхности, на к-рые нанесены электро-
электроды, обозначены штриховкой). При ра-
работе в диапазоне низких частот часто
используются изгибные моды колеба-
колебаний; в этом случае две пластины склеи-
склеиваются механически по большим гра-
граням, образуя т. н. биморфный элемент
(рис. 2,6), электроды включаются так,
чтобы возникающие при изгибе про-
противоположные по знаку деформации
выше и ниже средней плоскости воз-
возбуждали на электродах заряды оди-
одинакового знака. Круглые пластины
(рис. 2,е) работают либо на толщин-
ных, либо на радиальных модах ко-
колебаний. Трапециевидные пластины
(рис. 2,г) применяются в качестве
деталей составных колец, работающих
на радиальных колебаниях в низко-
низкочастотном диапазоне. Прямоугольные
и круглые стержни (рис. 2,д и 2,е)
обычно работают на продольных коле-
колебаниях, реже — на поперечных (рис.
2, ж) и крутильных модах коле-
колебаний. Цилиндрич. и сферич. П.
(рис. 2,з и 2,и) обычно работают на
радиальных модах колебаний. В по-
подавляющем большинстве случаев П.,
имеющие сложные конфигурации,
напр, как на рис. 2,г, 2,з и 2,и, из-
изготавливаются из пьезокерамики.
Электроды, выполняемые из раз-
различных неокисляющихся металлов,
в зависимости от
свойств пьезоэлек-
пьезоэлектрика наносятся раз-
различными способами,
напр.: методом напы-
напыления в вакууме; се-
серебряная или золо-
золотая фольга приклеи-
приклеивается проводящим
клеем; электроды
пьезокерамики нано-
наносятся обычно вжига-
нием серебряной па-
пасты до поляризации
образца.
Лит.: К э д и у., Пьезоэлектричество
и его практические применения, пер. с англ.,
М., 1949; М э з о н У., Пьезоэлектрические
кристаллы и их применения в ультраакусти-
ке, пер. с англ., М., 1952; Физическая аку-
акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1,
ч. А, М., 1966, гл. 3; Матаушек И.,
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М.,
1962; Ультразвуковые преобразователи, пер.
с англ., М., 1972; Ананьева А. А.,
Керамические приемники звука, М., 1963.
Р. Е. Пасынков^
ПЬЕЗОЭФФЕКТ — связь между
электрич. поляризацией (индукцией)
или электрич. полем и механич. напря-
напряжением или деформацией, к-рая на-
наблюдается у нек-рых диэлектриков и
полупроводников. Во многих важных
для практики случаях эту связь можно
приближённо описывать линейными
ур-ниями и считать обратимой. Раз-
Различают прямой П.— возникновение
поляризации (индукции) под дейст-
действием механич. напряжений и о б р а т-
н ы й П.— зависимость деформации
пьезоэлектриков от электрич. поля
(см. Пьезоэлектричество).
p
РАДИАЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ —
то же, что давление звукового излуче-
излучения.
РАДИОМЕТР — прибор для опреде-
определения давления звукового излучения и,
следовательно, плотности звуковой
энергии, интенсивности звука и дру-
других параметров волны. В звуковом
поле возникает постоянное радиаци-
радиационное напряжение, пропорциональное
плотности энергии звуковой волны. Поэ-
Поэтому на препятствие действует давле-
давление звукового излучения, вызывающее
(в зависимости от формы, размеров
и ориентации препятствия относитель-
относительно направления распространения зву-
звука) постоянную радиационную силу
вается силами, зависящими от кон-
конструкции Р.: в Р. маятниково-
маятникового типа (рис. а) — это компонента
силы тяжести, возникающая при от-
отклонении подвеса на угол а; в Р.
типа крутильных весов
(рис. б) — это упругий момент закру-
закручивания нити; в ряде конструкций
Р- упругая сила создаётся пластинча-
пластинчатой или спиральной пружиной, из-
изгибом тонкого стеклянного волокна
и т. п. В наиболее точных компен-
компенсационных Р. внешняя сила
возвращает приёмный элемент в ис-
исходное положение равновесия. Про-
Простейший тип такого Р.— чувствитель-
чувствительные рычажные весы (рис. в), где дей-
Fp, на измерении к-рой и основано ствие радиационной силы Fp на од-
действие Р. Радиационная сила даже ну из чашек компенсируется разнове-
разновесами на другой чашке. В кру-
крутильных весах приёмный эле-
элемент возвращают в исходное
положение механич. раскру-
раскручиванием нити подвеса. Более
точны электродинамич. или
электромагнитные системы ком-
Схемы нек-рых конст- пенсации Напр., к подвижной
рукций радиометров, системе Р. прикрепляется не-
а — маятникового ти- большая проволочная катуш-
катушка, в к-рую входит жёстко
закреплённый магнит. Подби-
Подбирая направление и величину
постоянного тока в катушке,
компенсируют действие силы
Fp силой взаимодействия по-
полей катушки и магнита.
В Р. без компенсации малые
¦Ше
па: 1 — приёмный эле-
элемент, 2 — жёсткое ко-
коромысло с игольчатым
креплением в агатовых
подпятниках или нить
подвеса; б — типа крутильных весов: 1 — приёмный
элемент, г — жёсткое коромысло, з — упругая растя-
растянутая тонкая нить, 4 — грузик, уравновешивающий
приёмный элемент, S — растяжки, регулирующие
натяжение нити; в — типа рычажных весов: 1 —
приёмный конический элемент, г — рычажные весы
правление распространения ультразвука.
з — чашка с разновесами. Стрелками показано на- смещения приёмного элемен-
та определяют с помощью ми-
микроскопа, а малые повороты —'
по отклонению светового луча, отра-
отражающегося от зеркальца на подвиж-
подвижной системе Р. По смещению или по-
повороту можно вычислить радиацион-
радиационную силу, но более надёжным методом
является тарировка Р., например лёг-
лёгкими разновесами, которой пользу-
пользуются также и в большинстве систем
с компенсацией.
При определении средней плотно-
плотности звуковой энергии Е и интенсивно-
интенсивности УЗ / необходимо принимать во
в УЗ-вой волне большой интенсивно-
интенсивности довольно мала, поэтому Р. пред-
представляют собой приборы, очень чувст-
чувствительные к малым силам.
Существуют разнообразные конст-
конструкции Р. Приёмный элемент их обыч-
обычно выполнен в виде лёгкого диска, ша-
шарика или конуса, размер к-рых d,
как правило, много больше длины
УЗ-вой волны Я. Радиационная сила
смещает приёмный элемент из положе-
положения равновесия. При определённом
отклонении действие её уравновеши-
внимание зависимость силы Fn от
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
291
ориентации приёмного элемента отно-
относительно направления распростране-
распространения волны, от его формы и коэфф.
отражения звука по амплитуде Л
и от соотношения его геометрич. раз-
размеров d и длины волны УЗ Я. В приём-
приёмном элементе в виде диска диаметром
d > Я, плоскость к-рого ориенти-
ориентирована перпендикулярно направле-
направлению распространения УЗ, направление
силы Fp совпадает с направлением
распространения волны, а её величина
равна:
Fp = A + Л2) ES = A + Л2) SI/c,
где с — скорость звука, S — площадь
диска или площадь поперечного сече-
сечения УЗ-вого пучка (меньшая из пло-
площадей).
Метод Р. является одним из наибо-
наиболее простых методов абсолютного изме-
измерения интенсивности УЗ в области
средних и высоких частот. Чувстви-
Чувствительность Р. не зависит от частоты,
если величина R не зависит от частоты
и если для всех частот соблюдается
условие d ^> Я (в противном случае
необходимо вводить поправку на ди-
дифракцию УЗ на приёмном элементе).
Показания Р. могут искажать аку-
акустические течения, влияние к-рых
уменьшают применением непроницае-
непроницаемых для потока, но «прозрачных»
для УЗ плёнок. Как всякая механич.
вистема, Р. инерционны.
Минимальная интенсивность, из-
измеряемая с помощью чувствительных
Р., лежит в области 10~4—10~5 Вт/см2.
В области больших интенсивностей
динамич. диапазон Р. может быть рас-
расширен «загрублением» (увеличением
веса приёмного элемента, увеличе-
увеличением с помощью дополнительных гру-
грузиков момента инерции приёмного
элемента в Р. типа крутильных весов
и др.).
Лит.: Матаушек И., Ультразву-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; К о-
лесников А. Е., Ультразвуковые
измерения, М., 1970; Романенко
Е. В., Приемники ультразвука и мето-
методы их градуировки, в кн.: Источники мощ-
мощного ультразвука, М., 1967. Л. И. Зарембо.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРА-
УЛЬТРАЗВУКА — процесс перемещения в
пространстве и во времени возмуще-
возмущений, имеющих место в звуковой вол-
волне. Р. у. описывается волновым
ур-нием, к-рое для продольной волны
имеет вид:
дг
где Д = g^j- + -щ^ -f- атг ~ опера-
оператор Лапласа, р(х, у, z, t) — звуковое
давление, с — скорость звука. Ана-
Аналогичное ур-ние может быть написано
для колебательного смещения частиц
| (х, у, z, t) и колебательной скорости
частиц v(x, у, z, t), а также для на-
напряжений, смещений и скоростей ча-
частиц в поперечной волне. Распростра-
Распространение плоской волны описывается
одномерным волновым ур-нием:
д V ?_ ^ р rx ,ni
Эх2 с2 Э*г — и> W
решение к-рого имеет вид:
Р (х, t) =h(x- ct) + /2 (х + ct), C)
где /i и /2 — произвольные ф-ции,
обычно определяемые условиями на
излучателе звука.
Простейший и очень важный вид
волн — гармонические волны. Для них
все величины являются синусоидаль-
синусоидальными ф-циями времени и пространст-
пространства. Гармонич. волна может быть за-
записана в виде:
А1 (г) е1 г , D)
где Ai — амплитуда волны, г — ра-
радиус-вектор точки, (о — частота вол-
волны, к — волновой вектор.
* = ¦?«, E)
где п — единичный вектор, перпен-
перпендикулярный волновому фронту (вол-
(волновая нормаль). Связь между ш и к,
к-рая иногда наз. дисперсионным со-
соотношением, справедлива для жидко-
жидкостей, газов и изотропных твёрдых тел,
не обладающих дисперсией скорости
звука. При наличии дисперсии эта
связь усложняется. В кристаллах
соотношение ш и к имеет более слож-
сложный вид (см. Распространение уль-
ультразвука в кристаллах).
Если среда, в к-рой происходит.
Р. у., обладает вязкостью и теплопро-
теплопроводностью или же в ней имеются
другие процессы внутреннего трения,
приводящие к диссипации энергии,
то при распространении волны про-
происходит поглощение звука, к-рое обычно
характеризуется экспоненциальным
уменьшением амплитуды волны с рас-
расстоянием. При этом для плоской, бе-
бегущей вдоль оси х, гармонич. волны
звуковое давление имеет вид:
р (х, t) = А$е~ахе'<ш' ~ hx),
292
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
где а — коэффициент поглощения
звука.
Наряду с поглощением имеется це-
целый ряд других процессов, приводя-
приводящих к уменьшению амплитуды при
Р. у., т. е. к затуханию звука. При
распространении сферич. УЗ-вой вол-
волны от точечного источника звуковое
давление убывает обратно пропорцио-
пропорционально расстоянию г от источника,
т. е.
р ~ (Л/г).е'<""-*'»;
при распространении цилиндрич. вол-
волны на расстоянии R от оси цилиндра
р~{А/УШ)-е'<""-'"'>.
При наличии границ между двумя
средами или к.-л. препятствий на пу-
пути распространения волны происхо-
происходит отражение, преломление и дифрак-
дифракция звука. Если в среде имеются не-
неоднородности, то происходит рассея-
рассеяние звука, к-рое может существенно
изменить простую картину Р. у. и
в конечном счёте также вызывать за-
затухание волны в первоначальном на-
направлении распространения. При Р. у.
в трубах, слоях и других волноводах
проявляется ряд особенностей, свойст-
свойственных волноводному распростране-
распространению, а именно отсутствие характер-
характерного для свободного пространства
убывания амплитуды волны из-за
сферич. расхождения и зависимость
характера Р. у. от соотношения меж-
между длиной волны звука и размерами
волновода.
Распространение импульса акусти-
акустического произвольной формы обычно
описывают путём разложения его по
гармонич. составляющим. В среде
без дисперсии форма импульса сохра-
сохраняется неизменной, а при наличии
дисперсии форма импульса искажает-
искажается по мере распространения, т. к.
вперёд убегают составляющие спектра,
фазовая скорость к-рых больше.
При больших интенсивностях УЗ
в его распространении появляются
особенности, характерные для волн
конечной амплитуды (см. Нелинейные
эффекты). В частности, скорость рас-
распространения оказывается зависящей
от амплитуды волны, что вызывает
искажение профиля волны и обра-
образование ударных волн. Это приводит
также к нелинейному поглощению
звука.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц
Е. М., Механика сплошных сред, М.,
1953; Б р е х о в с к и х Л. М., Волны
в слоистых средах, М.,1957; Исакович
М. А., Общая акустика, М., 1973.
А. Л. Полякова.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРА-
УЛЬТРАЗВУКА в кристаллах имеет
более сложный характер, чем в изо-
изотропной среде. Физич. свойства кри-
кристаллов, в т. ч. их упругость, анизо-
анизотропны, т. е. зависят от направления
в кристалле, при этом симметрия кри-
сталлич. решётки обусловливает опре-
определённую симметрию физич. свойств
кристалла. Скорость и поляризация
звуковой волны в кристалле, затуха-
затухание звука и направление потока энер-
энергии зависят от направления распрост-
распространения волны относительно кристал-
лографич. осей. Раздел акустики,
изучающий законы распространения
ультразвуковых волн в кристаллах,
называется кристаллоакус-
т и к о и.
Направление смещения и атомов
решётки в кристалле в общем случае
не совпадает с направлением действия
внешней силы F из-за анизотропии
характеристик упругости фис. 1).
Рис. 1. Модель кристаллической решётки,
иллюстрирующая связь внешней силы
F, действующей на атомы решётки, и ме-
механического смещения м атома.
Действительно, если упругие силы,
связывающие атомы друг с другом
(на рисунке изображены пружинка-
пружинками), различаются по разным направ-
направлениям, то под действием внешней
силы атомы, смещаясь, будут откло-
отклоняться от её направления в сторону
меньшей упругости. Аналогично при
распространении звуковой волны но
кристаллу, в отличие от распростране-
распространения в изотропном теле, колебательное
смещение атомов решётки не совпадает
в общем случае ни с направлением
распространения волны, характери-
характеризуемым единичным вектором волновой
нормали п, ни с плоскостью фронта
волны.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
293
На основании закона Гука в тен-
тензорной форме
B)
и второго закона Ньютона
~eW
можно получить волновое ур-ние,
описывающее распространение упру-
упругих волн в кристаллах:
где и\ — вектор колебательного смеще-
смещения частиц в волне, u^i — тензор
деформации, а\д — тензор напряже-
напряжений, Cijki — тензор модулей упру-
упругости, р — плотность кристалла. Для
плоских волн распространение в ани-
анизотропном кристалле описывается
матричным уравнением Грина — Кри-
стоффсля:
(Г* - Pc4ik) uk = 0, D)
где Г^ = Cij^injui, rij, щ — компонен-
компоненты вектора волновой нормали, т. е.
направляющие косинусы волнового
вектора к, с — фазовая скорость, сим-
символ Кронекера б^ = 1 при i = к и О
при i Ф к. Фазовая скорость упру-
упругих волн находится из равенства нулю
определителя системы D):
Det|rife-Pc25ife| = 0. E)
В общем случае для данного направ-
направления распространения, определяемого
вектором к, возможны три скорости
для трёх волн (три собственных зна-
значения тензора 1\д), к-рым соответст-
соответствуют три взаимно ортогональных соб-
собственных вектора иA), и<2) и иC)
(рис. 2), характеризующих смещения
частиц в этих волнах. Т. о., в каждом
направлении в кристалле могут рас-
распространяться три волны с различны-
различными скоростями и с вполне определён-
определённой взаимно ортогональной поляриза-
поляризацией. Такие волны наз. и з о н о р-
м а л ь н ы м и, т. к. они имеют одно
и то же направление распространения,
т. е. одно и то же направление волно-
волновой нормали п. Векторы смещения
в волне составляют нек-рый угол
с направлением её распространения
и с перпендикулярной этому направ-
направлению плоскостью. Волны, вектор ко-
колебательного смещения к-рых близок
но направлению к волновой норма-
нормали, наз. квазипродольными,
а волны, векторы смещения к-рых поч-
почти перпендикулярны к направлению
распространения, наз. к в а з и п о-
перечными. Фазовые скорости
упругих волн в кристаллах сильно
зависят от направления распростране-
Рис. 2. Изонормальные волны в кристалле
и определение углов: в — между волно-
волновым вектором к и вектором смещения
в волне ыA> и v — между k и вектором груп-
групповой скорости сг.
ния (рис. 3); при этом анизотропия фа-
фазовой скорости отражает симметрию
характеристик упругости кристалла.
Вдоль направлений в кристаллах,
соответствующих плоскостям и осям
симметрии (см. Симметрия кристал-
кристаллов) и иногда совпадающих с основны-
основными кристаллографич. осями, возможно
распространение т. н. чистых волн,
Рис. 3. Анизотропия фазовых скоростей
продольной Ci и поперечных с2 и с3 упру-
упругих волн в плоскости [100] кристалла гер-
маната висмута.
векторы смещения к-рых либо колли-
неарны волновому вектору (т. е. лежат
на одной прямой или на параллель-
параллельных прямых), либо нормальны к нему.
Направление распространения чисто
продольной волны в кристалле наз.
продольной нормалью. В общем слу-
случае даже для чисто пеперечных волн
скорости двух поперечных волн в кри-
кристалле различны, при этом каждая
294
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
Скорость и поглощение ультразвуковых волн
в никоторых кристаллах
Кристалл
Плот-
Плотность,
г/см3
Направ-
Направление
распро-
стране-
странения
Тип
вол-
волны
Фазо-
Фазовая
ско-
скорость,
105см/с
Коэфф. по-
поглощения,
дБ/см на
частоте
1 ГГц при
Т = 300 К
Теплопро-
Теплопроводность,
Вт/см • К
Темпе-
Температура
Дебая,
1С
Коэфф.
электро-
механиче-
механической
связи,
К2
Кварц
Ниобат лития . .
Сапфир
Рутил
Алюмоиттриевый
гранат .....
Железоиттриевый
гранат
Германий ....
Кремний
Сульфид кадмия
Германат висмута
,99
,26
4,55
5,17
5,327
2,33
4,82
9,2
X
С
С
с
с
[100]
[100]
[100]
[100]
[100]
с
[111]
[ПО]
5,7
7,33
3,58
11,24
10,67
8,56
5,03
3,84
5,28
8,43
4,5
1,86
3,302
1,77
3,0
0,3
1,5
0,18
1 ,2
0,2
0,2
0,34
30
10
0,048
0,04
»
0,08
0,046
0,043
0,038
1,05
0,54
0,159
469
637
»
950
758
750
538
374
674
214
8,6-10-'
2,5-Ю-2
2,4-10-»
3,6-10-2
3,97- Ю-2
11,3- Ю-2
из них имеет поляризацию, строго
определённую характеристиками упру-
упругости кристалла. В случае произволь-
произвольного поперечного смещения и на гра-
Рис. 4. Разложение произвольного попе-
поперечного смещения н, заданного на грани-
границах кристалла, на две изонормальные по-
поперечные волны н2 и и3, распростра-
распространяющиеся с различными скоростями с2 и
с3, в результате чего линейно-поляризо-
линейно-поляризованная волна ы преобразуется в эллипти-
чески-поляризованную, а затем снова в
линейно-поляризованную.
нице кристалла в нём распространя-
распространяются две волны и2 и и3 с двумя раз-
различными скоростями с2 и с3 (рис. 4).
В ряде направлений, отвечающих осям
симметрии высокого порядка, скоро-
скорости двух поперечных волн могут со-
совпадать. В таких направлениях, наз.
акустическими осями кри-
кристалла, возможно распространение
поперечных волн с произвольной по-
поляризацией, как в изотропном твёр-
твёрдом теле. Акустич. осями в кристал-
кристаллах являются, напр., оси 3-го, 4-го и
6-го порядков, это оси [111] (простран-
(пространственные диагонали) в кубических
кристаллах, оси Z (или С) в тетра-
тетрагональных, гексагональных и триго-
нальных кристаллах. При акустич.
экспериментах или в УЗ-вых устрой-
устройствах УЗ-вые волны в кристаллах
обычно направляют вдоль акустич.
осей или вдоль других чистых направ-
направлений. При нек-рой разориентации
кристалла направление распростра-
распространения сдвиговой волны не совпадает
с акустич. осью. В этом случае воз-
возможно существование волн эллиптич.
и круговой поляризаций (рис. 4).
Плотность потока энергии (вектор
Умова) акустич. волны в кристалле
определяется выражением:
h = — aikvhi
гДе vk — колебательная скорость ча-
частиц в волне. Анизотропия характе-
Вотовой фронт
Рис. 5. Поток энергии I звуковой волны
в анизотропном кристалле.
ристик упругости кристалла приво-
приводит к тому, что в отличие от изотроп-
изотропного твёрдого тела в кристаллах в об-
общем случае направление вектора плот-
плотности потока энергии I не совпадает
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
295
с направлением волнового вектора к,
т. е. имеется нек-рый (пространствен-
(пространственный) угол у между направлениями
потока энергии и потока волнового
вектора (рис. 5). Вследствие этого
даже при отсутствии дисперсии груп-
групповая скорость в кристаллах не сов-
совпадает с фазовой. Групповая скорость
упругой волны в кристалле является
скоростью потока энергии. Компо-
Компоненты вектора групповой скорости с\
можно вычислить, пользуясь соотно-
соотноCj =
шением: Cj = Ii^n^/pc, где ^
= djhiujui. Между групповой и фа-
фазовой скоростями в кристалле всегда
выполняется соотношение с?щ = с,
т. е. проекция
вектора груп-
групповой скорости
на направление
распростране-
Рис. 6. Геомет-
Геометрия внутренней
конической ре-
2 фракции в кри-
кристаллах.
ния звука равна фазовой скорости.
Угол у между вектором групповой
скорости и направлением распростра-
распространения волны может составлять иногда
десятки градусов. Характерно, что
даже при распространении волн в на-
направлениях симметрии высокого по-
порядка, т. е. вдоль акустич. осей, поток
энергии (акустич. луч) для сдвиговых
волн может отклоняться от направле-
направления распространения волны, причём
направление отклонения потока от
волновой нормали зависит от поля-
поляризации волны (рис. 6). Это явление
но аналогии с оптикой наз. внут-
внутренней конической ре-
рефракцией: при повороте плоско-
плоскости поляризации поперечной волны
акустич. луч также поворачивается,
описывая при этом конус, являющийся
геометрич. местом возможных направ-
направлений потока энергии. Угол конич. ре-
рефракции у (на рис. 6) довольно боль-
большой и составляет в кварце —17°, в
LiNbO3~8°, в NaCl -10°, в КС1~21°.
В пьезоэлектрич. кристаллах вме-
вместо закона Гука A) надо пользоваться
системой ур-нии состояния, включаю-
включающих электрич. поле и поляризацию
(см. Пьезоэлектричество). В этом слу-
случае из-за влияния пьезоэффекта ско-
скорость распространения упругих волн
несколько меняется, изменяется также
значение групповой скорости. При
этом поток энергии в пьезоэлектрич.
кристаллах можно рассматривать со-
состоящим из чисто упругой и взаимной
энергии (энергии электромеханич.
связи). Но в основном для пьезоэлек-
пьезоэлектрич. кристаллов картина распрост-
распространения объёмных упругих волн оста-
остаётся такой же, как и для непьезоэлек-
трич. кристаллов, т. е. в этом случае
также возможны чистые, квазипро-
квазипродольные и квазипоперечные волны,
конич. рефракция для акустич. осей
3-го порядка и т. д.
Анизотропия кристаллов усложняет
также законы отражения и преломле-
преломления упругих волн на границах разде-
раздела сред: углы падения и отражения
могут быть разными, кроме того, па-
падающая волна может при отражении
и преломлении расщепляться на не-
несколько волн разных типов, в т. ч.
поверхностных (рис. 7). Закон пре-
преломления и отражения волн на гра-
границе раздела в общем случае можно
записать так:
ens-, e , с„ c'
L S L S
где ipj — угол падения продольной L
(или сдвиговой S) волны, скорость
к-рой cLiS>, ф].'— угол отражения
продольной волны L' со скоростью
CL' , ^i>2 — угол отражения сдвиго-
сдвиговой волны S' со скоростью cg> ,^1' —
угол преломления продольной вол-
V
Рис. 7. Расщепление плоских продольной
L и сдвиговой S волн при падении их на
границу раздела двух твёрдых тел.
НЫ L" СО СКОРОСТЬЮ Cl", l|52" — УГОЛ
преломления сдвиговой волны S" со
скоростью cs".
На высоких (гиперзвуковых) ча-
частотах пространственная периодич-
периодичность кристаллич. решётки приводит
296
РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
к пространственной дисперсии упру-
упругих волн. В этом случае упругая вол-
волна из плоскополяризованной может
стать поляризованной по кругу, или
циркулярнополяризованной, и может
наблюдаться т. н. явление акустич.
активности. Вдоль акустич. осей обра-
образуются две циркулярнополяризован-
ные волны (лево и право поляризо-
поляризованные), к-рые имеют несколько раз-
различающиеся скорости. Результирую-
Результирующий вектор поляризации, возникаю-
возникающий в результате сдвига фаз из-за
запаздывания одной волны по отноше-
отношению к другой, оказывается повёрну-
повёрнутым на нек-рый угол <р, к-рый линей-
линейно растёт с проходимым волной рас-
расстоянием I и пропорционален квад-
квадрату частоты звука. Эксперименталь-
Экспериментально это явление обнаружено в кварце
на гиперзвуковых частотах.
В кристаллах возможно существо-
существование нескольких типов поверхност-
поверхностных волн, для к-рых в большинстве
случаев аналитич. решения получить
невозможно и требуются численные
расчёты на ЭВМ. Однако ряд общих
закономерностей, характерных для
объёмных волн в кристаллах, остаётся
справедливым и для поверхностных
волн, напр, влияние анизотропии кри-
кристалла на направление потока энер-
энергии.
Среди физич. механизмов, обуслов-
обусловливающих затухание звука в кристал-
кристаллах, можно выделить следующие:
рассеяние звука на микродефектах, по-
поглощение, обусловленное термоупру-
термоупругими и тепловыми эффектами, дисло-
дислокационное поглощение, поглощение,
вызванное взаимодействием упругой
волны с тепловыми колебаниями кри-
сталлич. решётки — фононами (см.
Поглощение звука); кроме того, в ме-
металлах и полупроводниках существует
специфич. вид поглощения звука, об-
обусловленный взаимодействием уль-
ультразвука с электронами проводимости;
в ферромагнитных кристаллах до-
дополнительное поглощение УЗ обуслов-
обусловлено движением доменных стенок и
спин-фононным взаимодействием; в сег-
нетоэлектрич. кристаллах наблюдает-
наблюдается специфич. возрастание поглощения
вблизи точки фазового перехода (см.
Сегнетоэлектр ичество).
В кристаллах поглощение звука,
так же как и все другие физич. свой-
свойства, анизотропно и может быть опи-
описано введением тензора вязкости т^д;.
С учётом последнего закон Гука при-
приобретает вид:
СТУ = Cijhlukl
0ик,
dt
F)
а распространение плоских волн ча-
частоты (о описывается ур-нием, анало-
аналогичным D):
(rife + i^Dik — pc2hih) uk = О, G)
где тензор диссипации D lk определя-
определяется свёрткой тензора вязкости fjijhi
по направлениям вектора волновой
нормали:
В случае малого поглощения в ур-нии
G) можно разделить действительную
и мнимую части:
Det|.Z)ift-2-^lf-5ift|=O. (9)
Ур-ние (8), как и ур-ние C), позво-
позволяет определить фазовую скорость
УЗ-вых волн (их поляризацию),
а ур-ние (9) — коэфф. поглощения
каждой из изонормальных волн:
ат = -?& д"*>
где индекс т = 1, 2, 3 относится к од-
одной из изонормальных волн, D'^—
собственные значения тензора дисси-
диссипации ?>jfc.
При наличии поглощения звука
групповая скорость упругой волны
также становится комплексной. Ком-
Компоненты тензора вязкости могут быть
определены как экспериментально, так
и из микроскопических (модельных)
теорий, описывающих данный меха-
механизм поглощения звука. В нек-рых
случаях необходимо применение не-
нелинейной теории (см. Нелинейное по~
глощение звука). Нелинейная кристал-
лоакустика занимается исследованием
распространения и взаимодействия
УЗ-вых волн конечной амплитуды
в кристаллах. Ур-ния нелинейной
кристаллоакустики, как и в линейном
случае, могут быть получены из ур-ния
движения кристаллич. среды C), но
с использованием нелинейного закона
Гука:
°4j = Cijhlukl + Ci}hlqruhluqr + • • • •
Здесь Cijkiqr — тензор 6-го ранга,
т. н. тензор модулей упругости 3-го
порядка. Методом последовательных
РАСПЫЛЕНИЕ
297
приближений можно получить ур-ние,
описывающее генерацию 2-й акустич.
гармоники в кристалле, к-рая проис-
происходит в общем так же, как и в изотроп-
изотропной среде (см. Нелинейные эффекты),
однако приводит к нек-рым особенно-
особенностям. Наряду с генерацией акустич.
гармоник нелинейное взаимодействие
упругих волн в кристаллах приводит
к преобразованию частоты, а также
к комбинационному рассеянию звука
на звуке. В пьезоэлектрич. кристал-
кристаллах наряду с упругой нелинейностью
необходимо учитывать т. н. пьезоэлек-
пьезоэлектрич. нелинейность.
Исследование нелинейного взаимо-
взаимодействия упругих волн в кристаллах
имеет значение не только для объяс-
объяснения поглощения звука в кристаллах,
но также для описания тепловых фо-
нонных взаимодействий и лежит в ос-
основе теории работы нового класса
нелинейных акустич. устройств —
корреляторов, конволюторов. УЗ-вые
волны в кристаллах используются
для создания УЗ-вых и гиперзвуко-
гиперзвуковых линий задержки, акустооптич.
устройств и др. устройств акустоэлек-
троники.
Лит.: Федоров Ф. И., Теория
упругих волн в кристаллах, М., 1965; Н а й
Д ж., физические свойства кристаллов, М.,
1967; Александров К. С, Акусти-
Акустическая кристаллография, в сб.: Проблемы
современной кристаллографии, М., 1975;
Та к ер Д ж., Рэмптон В., Гипер-
Гиперзвук в физике твердого тела, М., 1975; Т р у-
элл Р., Эльбаум Ч., Чик Б.,
Ультразвуковые методы в физике твердого
тела, пер. с англ., М., 1972; Меркулов
Л. Г., Яковлев Л. А., Особенности
распространения и отражения ультразву-
ультразвуковых лучей в кристаллах, «Акуст. ж.»,
1962,т. 8, № 1; Александров К.С,
Распространение упругих волн по особен-
особенным направлениям в кристаллах, «Кристал-
«Кристаллография», 1956, № 1; В у жва А. Д.,
Л я м о в В. Е., Акустическая активность
и другие эффекты, обусловленные прост-
пространственной дисперсией в кристаллах, там
же, 1977, т. 22, N° 1.
В. Е. Лямов, К. В. Гончаров.
РАСПЫЛЕНИЕ акустиче-
акустическое — получение аэрозоля из жид-
жидкости с помощью акустических коле-
колебаний звукового и УЗ-вого диапазона.
При Р. дисперсная фаза тонких сус-
суспензий и эмульсий, так же как и раст-
растворённые в жидкости вещества, пере-
переходит в аэрозоль. В соответствии
с тем, как подводится акустич. энер-
энергия к зоне Р.— через жидкость или
через газ, различают два способа Р.
Первый способ подразделяется в свою
очередь на две разновидности: Р.
в слое и Р. в фонтане. В обоих этих
случаях образование капель аэрозоля
происходит в результате их отрыва от
гребней стоячих капиллярных волн ко-
конечной амплитуды на поверхности
жидкости. Диаметр капель аэрозоля
d ъ О,ЗХК, где %к = V 8яа/р/2 — дли-
длина капиллярной волны, а — коэффици-
коэффициент поверхностного натяжения, р —
плотность жидкости, /—частота звука.
При Р. в слое стоячие капиллярные
волны частоты 0,5 / образуются на
поверхности слоя жидкости, покры-
покрывающей пластину, колеблющуюся
перпендикулярно своей плоскости с
частотой /. С увеличением амплитуды
колебаний пластинки амплитуда воз-
возбуждаемых волн монотонно нара-
нарастает, достигая через нек-рое время
предельной величины, после чего вол-
волновое движение, возбуждаемое коле-
колебаниями, становится периодическим
и устойчивым. При этом в отличие от
линейного случая малых амплитуд
гребни стоячих волн теряют свою си-
синусоидальную форму и становятся по-
похожими на сравнительно узкие языч-
язычки, напоминающие капли. С дальней-
дальнейшим увеличением амплитуды происхо-
происходит отделение капель жидкости от
гребней таких волн. Обычно при Р.
в слое используются колебания с ча-
частотой ~ десятков кГц, и диаметр
капель составляет десятки мкм. Про-
Производительность акустич. Р. достигает
нескольких литров и даже десятков
литров в час, увеличиваясь с ростом
амплитуды колебаний поверхности и
уменьшаясь при переходе к более вяз-
вязким жидкостям. Толщина слоя жидко-
жидкости должна быть небольшой до-
долей мм, но не менее Як/2. Такой вид
Р. применяют для приготовления по-
порошков и в УЗ-вых форсунках для
Р. жидкого топлива. В качестве рас-
распылительных устройств используются
резонансные пьезоэлектрические пре-
преобразователи из пьезокерамики или
магнитострикционные преобразова-
преобразователи стержневого типа с концентра-
концентраторами, имеющими канал по оси
(рис. 1). Жидкость вводится в канал 5
в узловой плоскости концентратора и
растекается слоем по поверхности
фланца 4, к-рый играет роль колеб-
колеблющейся пластины. Амплитуда коле-
колебаний составляет от 10 до 30 мкм.
При акустич. Р. в фонтане стоячие
капиллярные волны конечной ампли-
амплитуды возбуждаются на поверхности
298
РАСПЫЛЕНИЕ
струи, возникающей вследствие эф-
эффекта фонтанирования жидкости в ме-
месте попадания на её поверхность пучка
мощных УЗ-вых волн, направленного
Аэрозоль
Жидкость
Рис. 1. Ультразвуковое устройство для
распыления жидкого топлива: 1 — состав-
составной полуволновой пьезокерамический
преобразователь; 2 — пьезокерамические
пластины; 3 — полуволновой ступенча-
ступенчатый концентратор; 4 — колеблющаяся
поверхность фланца, на которой происхо-
происходит распыление; $ — канал внутри кон-
концентратора.
из глубины. Капиллярные волны воз-
возникают лишь при наличии кавитации
в струе УЗ-вого фонтана, т. к. непо-
непосредственной причиной их возбужде-
возбуждения являются периодич. гидравлич.
Згдары при захлопывании кавитацион-
ных пузырьков. Для создания УЗ-вого
фонтана используются частоты мега-
мегагерцевого диапазона. Р. происходит
в верхней части фонтана с образова-
образованием тонкого стойкого монодисперс-
монодисперсного аэрозоля, размер капель к-рого
составляет 2—4 мкм. Для получения
аэрозоля этим способом удобны фоку-
фокусирующие излучатели (см. Фокуси-
Фокусировка звука) с резонансной частотой
1—3 МГц в виде вогнутых пьезокера-
мич. пластин (рис. 2). Фокальное пят-
пятно излучателя располагается обычно
несколько ниже поверхности жидко-
жидкости. Распылительное устройство та-
Газ
Рис. 2. Ультразву-
V ° ковое устройство для
.'-гг„„ распыления лекарст-
Дороэоль венных веществ: 1 —
фокусирующий пье-
пьезокерамический из-
•3 лучатель; 2 — про-
¦2 межуточная жидкая
среда; 3 — кювета с
звукопрозрачным
дном; 4 — распыляе-
распыляемая жидкость; 5 —
ультразвуковой фонтан; 6 — отражатель
для ограничения высоты фонтана.
кого типа с фокусирующим излучате-
излучателем имеет вместе с генератором не-
небольшие размеры; энергетич. затраты
их невелики A50 Вт). Производитель-
Производительность акустич. Р. для невязких жид-
жидкостей типа воды достигает несколь-
нескольких сотен миллилитров в час. Приме-
Применение кювет с дном из звукопрозрач-
ной плёнки позволяет приготавливать
аэрозоль из нескольких миллилитров
жидкости. Подобные устройства при-
применяются в ингаляторах (см. Терапия
ультразвуковая), при спектральном
анализе для создания высококачест-
высококачественного аэрозоля из небольших коли-
количеств жидкости.
Второй способ акустич. Р. связан
с подведением акустич. колебаний
к зоне Р. через газ. При этом обычно
используются газоструйные излуча-
излучатели, в активную зону к-рых пода-
подаётся жидкость (рис. 3). Помимо аку-
акустич. колебаний, жидкость подвер-
подвергается воздействию газовых потоков,
поэтому такой способ наз. также пнев-
моакустическим. Размер капель полу-
получаемого аэрозоля составляет десятки
Рис. 3. Распы-
Распылительное уст-
устройство со стер-
стержневым газо-
газоструйным излу-
излучателем: К —
каналы, через
которые жид-
жидкость поступает
в область распы-
распыления.
Ударные волны
и сотни мкм. Производительность
установок — десятки и сотни л/ч. Га-
Газоструйные излучатели работают при
давлении газа 1—5 атм. Диаметры
капель уменьшаются при увеличении
давления газа. Физич. механизм этого
способа Р. не ясен. Предполагается,
что в образовании аэрозоля прини-
принимают участие ударные акустич. вол-
волны, возникающие при работе излуча-
излучателя. Этот способ находит применение
в форсунках для мощных водогрейных
котлов, для карбюрации в двигателях
внутреннего сгорания и в распыли-
распылительных сушилках.
Лит.: ЭкнадиосянцО. К., Полу-
Получение аэрозолей, в кн.: физические основы
ультразвуковой технологии, М., 1970 (Фи-
(Физика и техника мощного ультразвука, кн. 3);
Lierke E. G., GrieBhammer G.,
The formation of metal powders by ultraso-
ultrasonic atomization of molten metals, «Ultraso-
«Ultrasonics», 1967, v. 5; Wile ox R. L., Tate
R. W., Liquid atomization in a high inten-
intensity sound field, «Amer. Inst. Chem. Engrs.
J.», 1965, v. 11, № 1, p. 69—72.
О. К. Экнадиосянц.
РАССЕЯНИЕ ЗВУКА
299
РАССЕЯНИЕ ЗВУКА — возникно-
возникновение дополнительных звуковых по-
полей в результате дифракции звука на
препятствиях, находящихся в среде,
на неоднородностях среды, а также на
неровных и неоднородных границах
среды. Р. з. имеет место, если препят-
препятствия отличаются от среды либо сжи-
сжимаемостью, либо плотностью, либо
тем и другим. При наличии Р. з. ре-
результирующее звуковое поле можно
представить в виде суммы первичной
звуковой волны (существовавшей в от-
отсутствии препятствий) и рассеянной
(вторичной) волны, возникшей в ре-
результате взаимодействия первичной
волны с препятствием. При наличии
многих препятствий волны, рассеян-
рассеянные каждым из них, рассеиваются по-
повторно и многократно другими препят-
препятствиями. Если вторичные волны малы
по сравнению с первичной, а число
препятствий не слишком велико, так
что повторным Р. з. можно пренебречь,
то Р. з. наз. однократным. Если на-
накапливающиеся вторичные волны в
сумме не остаются малыми и ими нель-
нельзя пренебрегать по сравнению с пер-
первичной волной, то говорят о много-
многократном рассеянии. В первом случае
задача расчёта поля рассеяния сво-
сводится к определению однократного
Р. з. на каждом отдельном препятствии
и сложению полученных полей. Зада-
Задачу о расчёте многократного Р. з.
удаётся решить только в простейших
случаях.
Рассеивающую способность препят-
препятствия характеризуют сечением рассея-
рассеяния а — отношением мощности рас-
рассеянных волн к плотности потока
энергии в первичной волне. Связь
между размерами тела, являющегося
препятствием, и его сечением рассея-
рассеяния сильно зависит от соотношения
между размерами этого тела и длиной
волны звука. Для препятствий, срав-
сравнимых с длиной волны или больших
неё, а по порядку величины равно
площади поперечного сечения тела,
перпендикулярного направлению па-
падения первичной волны. Для малых
препятствий а мало по сравнению с по-
поперечным сечением тела, и их отноше-
отношение по порядку величины равно (каL,
где к — волновое число звука, а —
линейный размер тела. Отличие сжи-
сжимаемости малого препятствия от сжи-
сжимаемости среды приводит к пульсации
рассеивающего тела, т. е. к монополь-
монопольному Р. з., а отличие его плотности
от плотности среды вызывает допол-
дополнительное движение тела как целого
(осцилляции) и, следовательно, ди-
польное Р. з. (см. Звуковое поле).
Особый случай — Р. з. на газовом
пузырьке в жидкости при его резо-
резонансных пульсационных колебаниях.
Сечение рассеяния пузырька при этом
во много раз превышает его поперечное
сечение. Напр., резонанс воздушного
пузырька радиусом а в воде при атмо-
атмосферном давлении наступает при ка =
= 0,014, а а для пузырька оказывает-
оказывается равным 4я//с2, т. е. превосходит его
поперечное сечение эта2 в 4/(А:аJ =
= 20 000 раз. Однако наличие потерь
колебательной энергии в результате
вязкости, теплопроводности и т. п.
сильно снижает эту величину.
Р. з. на случайных неоднородностях
среды вызывает расплывание звуко-
звукового пучка, что приводит также к за-
затуханию звука по мере его распрост-
распространения. На высоких частотах Р. з.
на кристаллитах в поликристаллич.
твёрдых телах позволяет обнаружи-
обнаруживать области крупнозернистости; это
явление может также создавать ме-
мешающий фон (т. н. структурный шум)
при УЗ-вой дефектоскопии.
В гидроакустике существенно Р. з.
на неоднородностях водной среды, на
рыбах, планктоне и на других биоло-
гич. объектах в водной толще, а так-
также на неровной поверхности волную-
волнующегося моря и на неровном и неодно-
неоднородном дне (объёмная, поверхностная
и донная реверберации). Морская ре-
реверберация может существенно маски-
маскировать акустич. сигнал, отражающий-
отражающийся от обнаруживаемого объекта при
гидролокации.
При падении плоской волны на
плоскую поверхность с периодически-
периодическими неровностями или периодическими
неоднородностями, помимо зеркально
отражённой волны, образуются рас-
рассеянные плоские волны, бегущие в ди-
дискретных направлениях, определяе-
определяемых углом падения первичной волны,
её длиной и пространственным перио-
периодом неровностей или неоднородностей
поверхности. Если этот период мень-
меньше половины длины волны первич-
первичного звука, рассеянные волны отсут-
отсутствуют и влияние неровностей или не-
неоднородностей сводится к нек-рому
возмущению суммарного поля падаю-
падающей и зеркально отражённой волн,
300
РАСХОДОМЕР
заметному только вблизи поверхности,
а также к нек-рому изменению фазы
зеркально отражённой волны. В слу-
случае статистически неровных или не-
неоднородных поверхностей Р. з. про-
происходит по всем направлениям.
Лит.: Исакович М. А., Общая аку-
акустика, М., 1973; Акустика океана, под ред.
Л. М. Бреховских, М., 1974.
М. А. Исакович.
РАСХОДОМЕР ультразвуко-
ультразвуковой — прибор для определения ско-
скорости потока жидкости или газа
в к.-л. трубопроводах или каналах
с помощью УЗ. По принципу действия
все УЗ-вые Р. могут быть условно раз-
разделены на три группы.
Работа первой группы Р.
основана на измерении скорости рас-
распространения УЗ в движущейся сре-
среде, к-рая равна векторной сумме ско-
скорости звука с в неподвижной среде и
скорости и движения среды. Для ис-
исключения погрешностей, обусловлен-
обусловленных изменением с под действием раз-
различных факторов, скорость v опреде-
определяют путём измерения скорости рас-
распространения УЗ в направлении пото-
потока и против него, причём эти измере-
измерения проводят либо одновременно в раз-
разных акустич. каналах, либо пооче-
поочерёдно в одном и том же акустич. ка-
канале. В первом случае (рис. 1) в кана-
канале 1 осуществляется измерение век-
векторной суммы скоростей (в пределах
акустич. базы датчиков 2), а в канале
3 — измерение разности скоростей.
Результаты измерений обрабатывают-
Рис. 1. Блок-схема ультразвукового рас-
расходомера с векторным сложением скорос-
скоростей: 1 — канал суммарной скорости; 2 —
датчик расходомера; 3 — канал разност-
разностной скорости; 4 — блок обработки ре-
результатов измерения.
ся в блоке 4, с выхода к-рого поступа-
поступает сигнал, пропорциональный иско-
искомой скорости потока и. При использо-
использовании одного канала также можно од-
одновременно измерять сумму и разность
скоростей, если использовать две раз-
различные рабочие частоты, однако экви-
эквивалентные акустич. базы в этом случае
не будут одинаковыми, и их необходи-
необходимо выравнивать в электрич. каналах
путём введения регулируемых эле-
элементов задержки. Измерение резуль-
результирующей скорости распространения
УЗ-вых волн может быть выполнено
любым из известных способов измере-
Рис. 2. Блок-схема
ультразвукового рас-
расходомера со «сносом»
ультразвукового пуч-
пучка: 1 — генератор зон-
зондирующих импульсов;
2 — излучающий пре-
преобразователь; 3 и i —
приёмные преобразова-
преобразователи; 5 — дифференци-
дифференциальный усилитель.
ния скорости УЗ, напр, фазовым, им-
импульсным или их комбинацией.
Работа второй группы Р.
основана на измерении величины «сно-
«сноса» УЗ-вого пучка потоком контроли-
контролируемой среды. Направление распрост-
распространения УЗ-вых волн при этом пер-
перпендикулярно направлению скорости
потока среды (рис. 2). Генератор 1
зондирующих импульсов рабочей ча-
частоты возбуждает излучающий пре-
преобразователь 2. Приёмные преобра-
преобразователи 3 и 4 имеют одинаковые ха-
характеристики, а расположение и ори-
ориентация их таковы, что при v = 0
их выходные напряжения U одинако-
одинаковы. Эти напряжения подаются на вхо-
входы дифференциального усилителя 5,
выходной сигнал к-рого пропорциона-
пропорционален разности этих напряжений и, сле-
следовательно, скорости потока среды.
УЗ-вые Р., работающие по принципу
сложения скоростей и по «сносу» пуч-
пучка, применяются для контроля и ав-
автоматизации технологич. процессов
в химич., металлургич. и нефтепере-
нефтеперерабатывающей промышленности. Ниж-
Нижняя граница интервала измеряемых
значений скорости потоков составляет
для Р. первой группы 0,2—0,5 м/с,
для Р. второй группы — десятки м/с.
Третья группа Р. применя-
применяется для измерения скорости потока
при контроле движения гетерогенных
сред. Принцип действия этих Р. осно-
основан на использовании эффекта /Доп-
/Доплера. УЗ-вые колебания, посылаемые
по направлению потока, рассеивают-
рассеиваются частицами среды и частично отра-
РЕЗОНАНС
301
жаются обратно к излучающему пре-
преобразователю, рядом с к-рым помеща-
помещается второй, приёмный. Принятый
сигнал отличается от посланного по
частоте, а величина частотного сдви-
сдвига F пропорциональна скорости дви-
движения среды и, т. в. F — 2fv/c, где
/ — частота, ас — скорость распрост-
распространения УЗ в среде. Такой способ
измерения скорости потока применя-
применяется, в частности, в медицине и физио-
физиологии для определения скорости кро-
кровотока в крупных кровеносных сосу-
сосудах. Эти измерения можно проводить
бесконтактно, путём ввода УЗ под
углом к контролируемому участку
сосуда. Для вычисления истинного
значения скорости необходимо учиты-
учитывать величину этого угла, т. к. ча-
частотный сдвиг определяется проекци-
проекцией вектора скорости на направление
УЗ-вого луча. Следует отметить, что
при измерении скорости потока до-
плеровским методом возникает целый
спектр частот, происхождение к-рого
обусловлено сложным характером рас-
распределения скоростей в зоне прозвучи-
вания. Информация о распределении
скоростей и об искомой средней скоро-
скорости потока может быть получена из
результатов спектрального анализа
выходного сигнала доплеровского Р.
Интервал измеряемых значений ско-
скорости может составлять для таких Р.
от 0,01 до 100 м/с.
Погрешность измерений скорости
потока УЗ-вых Р. достигает 2—5%,
причём основной источник погрешно-
погрешностей — вариации скорости УЗ на кон-
контролируемом участке потока из-за
изменения темп-ры или состава жид-
жидкости. Преимущества УЗ-вых Р.: от-
отсутствие подвижных элементов в дат-
датчике Р., простота обеспечения условий
взрывобезоиасности, сохранение прак-
практически полного сечения трубопрово-
трубопровода и потому весьма малое падение дав-
давления на участке расположения дат-
датчика. УЗ-вые Р. обладают малой инер-
инерционностью и могут применяться для
контроля пульсирующих потоков. Ос-
Основной недостаток Р., относящихся
к двум первым группам,— снижение
точности и надёжности при выделении
осадков и пузырьков свободного газа
на участках трубопровода, контак-
контактирующих с пьезопреобразователями.
Лит.: Б и р г е р Г. И., Бражников
Н. И., Ультразвуковые расходомеры, М.,
1964; Канторович Э. Г., «Вопр. ра-
¦=f0 cos tof
Рис. 1. Меха-
Механическая ко-
колебательная
система.
диоэлектроники. Сер. общетехнич.», 1972,
в. 10, с. 68—77.
В. Е. Михалёв, А. С. Химунин.
РЕЗАНИЕ ультразвуковое —
один из видов механической обработ-
обработки хрупких твёрдых материалов с при-
применением УЗ.
РЕЗОНАНС — явление возрастания
амплитуды вынужденных колебаний
в к.-л. колебательной системе, насту-
наступающее при приближении частоты пе-
периодического внешнего
воздействия к одной из
частот собственных ко-
колебаний системы. Ха-
Характер Р. существенно
зависит от свойств ко-
колебательной системы.
Наиболее просто Р.
протекает, когда пе-
риодич. воздействию
подвергается система с
параметрами, не зави-
зависящими от состояния
самой системы (т. н.
линейные системы). Простейший при-
пример такой системы с одной сте-
степенью свободы — масса т, подвешенная
на пружине и находящаяся под дейст-
действием гармонич. силы F — Fo cos tot
(рис. 1), или электрич. цепь, состоящая
из последовательно соединённых ин-
индуктивности L, ёмкости С, сопротив-
сопротивления R и источника электродвижу-
электродвижущей силы Е, меняющейся по гармонич.
закону (рис. 2). Для системы в виде
массы на пружине ур-ние движения
имеет вид:
тх -f- Ъх -|- кх = Fo cos mt,
где х — смещение массы т от поло-
положения равновесия, х — её скорость,
х— ускорение, к — коэфф. упругости
пружины, Ь — коэфф. трения (анало-
(аналогичное ур-ние имеет место для коле-
колебательной системы в виде электрич.
цепи). Решение этого ур-ния, соответ-
соответствующее установившимся вынужден-
вынужденным колебаниям, имеет вид:
О)
COS(u)i-|-<p) =
2 n|!
• cos (и>г + ф)»
где ш0 — собственная частота системы
302
РЕЗОНАНС
при малом затухании: ш02 = к/т, Q —
добротность колебательной системы,
Ьсо а 1
tgq> = °> -
1-
со2
При медленном воздействии (ш < (оо)
амплитуда смещений х0 =к F0/k, т. е.
смещение массы соответствует статич.
растяжению пружины под действием
Рис. 2. Электрическая ко-
колебательная система с по-
последовательным включе-
включением ёмкости С и индук-
индуктивности L.
?-E0cosu>t
силы /V С увеличением ш амплитуда
хд растёт, и, когда ш приближается
к значению ш0 (т. е. к значению часто-
частоты собственных колебаний при малом
их затухании), амплитуда вынужден-
вынужденных колебаний достигает максиму-
максимума — наступает Р. Далее, с увели-
увеличением и амплитуда монотонно убы-
убывает и при о —> оо стремится к нулю.
Амплитуда колебаний при Р. равна:
хо = Folbiuf, = FgQ/k, т. е. амплитуда
колебаний при Р. тем больше, чем
меньше затухание в системе (рис. 3)
или чем больше
1 jl её добротность.
При увеличении
затухания систе-
системы Р. становится
Рис. 3. Зависимость
амплитуд смещений
от частоты внешне-
внешнего воздействия для
различных значе-
значений Ь (Ь5 < Ъ, ...
Ь)
всё менее резким, и если коэфф. за-
затухания b очень велик, то Р. вообще
не возникает. С энергетич. точки зре-
зрения Р. объясняется тем, что между
внешней силой и вынужденными ко-
колебаниями устанавливаются такие фа-
фазовые соотношения, при к-рых в си-
систему поступает наибольшая мощность
(т. к. скорость системы оказывается
в фазе с внешней силой и создаются
наиболее благоприятные условия для
возбуждения вынужденных ко лебаний).
Если линейная система подвергает-
подвергается негармонич. внешнему воздейст-
воздействию, то Р. наступает только тогда,
когда в спектре внешнего воздействия
содержатся гармонич. составляющие
с частотой, близкой к собственной
частоте системы. Если же во внешнем
воздействии не содержится гармонич.
составляющих с частотами, близкими
к собственной частоте системы, то Р.
вообще не наступает. В элсктрич.
колебательных системах, состоящих
из последовательно соединённых ём-
ёмкости С и индуктивности L (рис. 2),
Р. выражается в том, что при прибли-
приближении частоты внешней эдс к собст-
собственной частоте колебательной системы
амплитуда тока в цепи резко возрас-
возрастает и амплитуды напряжения на ка-
катушке индуктивности и на конденса-
конденсаторе порознь оказываются гораздо
больше амплитуды эдс, создаваемой
внешним источником, однако они рав-
равны по величине и противоположны
по фазе (Р. тока, или последователь-
последовательный Р.). В случае воздействия гармо-
гармонич. эдс на цепь из параллельно вклю-
Рис. 4. Электрическая
колебательная система с
включёнными парал-
параллельно ёмкостью и ин-
индуктивностью.
чённых ёмкости и индуктивности
(рис. 4) имеет место особый случай
Р.— антирезонанс. При приближении
частоты внешней эдс ш к собственной
частоте соо контура LC происходит
резкое уменьшение амплитуды силы
тока во внешней цепи, питающей кон-
контур (т. н. Р. напряжения, или парал-
параллельный Р.). Это объясняется тем,
что при частоте ш, близкой к ш0, ре-
реактивные сопротивления ёмкости и
индуктивности оказываются одинако-
одинаковыми по величине, и поэтому в обеих
ветвях контура текут токи примерно
одинаковой амплитуды, но почти про-
противоположные по фазе. Вследствие
этого амплитуда тока во внешней цепи
оказывается гораздо меньшей, чем
амплитуды тока в отдельных ветвях,
достигающие при ш0 наибольшей вели-
величины. Параллельный Р., так же как
и последовательный, выражается тем
резче, чем меньше активное сопротив-
сопротивление ветвей контура, чем больше
его добротность.
В линейной системе с несколькими
степенями свободы, собственные коле-
колебания к-рой могут происходить с раз-
различными частотами (т. н. собственны-
собственными частотами, см. Нормальные коле-
бания), Р. наступает при совпадении
частоты гармонич. внешнего возденет-
РЕЙНОЛЬДСА ЧИСЛО
303
вия с любой из собственных частот
системы. Если две собственные часто-
частоты не очень близки друг к другу, то
при плавном изменении частоты внеш-
внешнего воздействия наблюдаются два
максимума амплитуды вынужденных
колебаний (рис. 5). Если эти нормаль-
нормальные частоты близки и затухание в си-
системе достаточно велико, то оба мак-
максимума могут слиться. В этом случае
Рис. 5. Резонансная
кривая с двумя мак-
максимумами.
кривая Р. для системы с двумя степе-
степенями свободы теряет свой «двугорбый»
характер и по внешнему виду лишь
незначительно отличается от кривой
Р. для линейной системы с одной сте-
степенью свободы. Т. о., в системе с двумя
степенями свободы форма кривой Р.
зависит не только от затухания систе-
системы (как в случае системы с одной сте-
степенью снободы), но и от степени связи
между системами.
В сплошных системах (струна, стер-
стержень и др.) Р. сохраняет те же основ-
основные черты, что и в системе с двумя сте-
степенями свободы. Однако в таких систе-
системах, в отличие от систем с одной сте-
степенью свободы, существенную роль
играет точка приложения внешнего
воздействия: возможны случаи, когда,
несмотря на совпадения частоты внеш-
внешнего воздействия с одной из нормаль-
нормальных частот системы, Р. всё же не на-
наступает. Пример этого —возбуждение
вынужденных колебаний в струне,
когда внешняя сила, совпадающая по
частоте с одной из собственных частот
струны, приложена в узле скоростей
для данного нормального колебания,
а поскольку сила, приложенная к не-
неподвижной точке струны, не совер-
совершает работы, мощность от источника
внешней силы в систему не поступает
и сколько-нибудь заметного возбужде-
возбуждения колебаний струны не возникает,
т. е. Р. не наблюдается.
Если внешнее воздействие произво-
производит периодич. изменение параметров
колебательной системы (напр., натя-
натяжения струны или ёмкости электрич.
контура), то при определённых соот-
соотношениях между частотой изменения
параметра и частотой собственных ко-
колебаний системы возможно парамет-
рич. возбуждение колебаний, или па-
параметрический Р.
Лит.: Стрелков С. П., Введение
в теорию колебаний, 2 изд., М., 1964; Го-
Горелик Г. С, Колебания и волны, 2 изд .
М., 1959.
РЕЙНОЛЬДСА ЧИСЛО — безраз-
безразмерная величина, являющаяся одной
из характеристик течения вязкой жид-
жидкости и равная отношению нелиней-
нелинейного и диссипативного членов в ур-нии
Навье — Стокса: Re = pvl/v) = vl/v,
где v, I — характерные скорость те-
течения и ого пространственный мас-
масштаб, р, т), v — плотность среды, ди-
намич. и кинематич. коэфф. вязкости.
Р. ч. характеризует отношение инер-
инерционных сил к силам вязкости, дей-
действующим в движущейся среде. Для
каждого пида течения существует
критич. Р. ч., к-рое определяет пере-
переход от ламинарного течения к турбу-
турбулентному. Р. ч. является критерием
подобия течений вязкой жидкости.
В акустике пользуются Р. ч.
для количественной характеристики
соотношения нелинейных и дисси-
пативных членов в ур-нии, описываю-
описывающем распространение волны конеч-
конечной амплитуды; в этом случае Р. ч.
„ _ „ pi) 8 pvl
где v — амплитуда колебательной ско-
скорости частиц в волне, к = 2яД —
волновое число, Я — длина волны,
Ъ = [iri+S-M {Су + О] -э*-
фективный коэфф. вязкости, представ-
представляющий собой сумму коэфф. сдвиговой
г| и объёмной вязкостей ? и члена
к [Су -\- Ср'^ описывающего затуха-
затухание звука вследствие влияния тепло-
теплопроводности (здесь х — коэфф. теп-
теплопроводности, Ср, Су — удельные
теплоёмкости среды при постоянном
давлении и объёме), р — плотность
р дс* . „ ..
среды, е = —; f-1 — нелинейный
2с0 Эр
параметр, позволяющий учитывать
влияние нелинейности ур-ния состоя-
состояния среды, к-рая может оказаться
доминирующей в сжимаемых средах
(с — скорость звука, с0 — её невоз-
невозмущённое значение).
Акустич. Р. ч. определяет роль не-
нелинейных и диссипативных эффектов
в процессе распространения волны
конечной амплитуды. При малых зна-
значениях Р. ч. доминирует влияние вяз-
304
РЕЛАКСАЦИЯ
кости, и волна затухает раньше, чем
нелинейные эффекты, успевают раз-
развиться. При больших значениях Р. ч.
основную роль играет нелинейность,
приводящая к искажению формы вол-
волны по мере её распространения и к об-
образованию слабых разрывов. Ширина
6 фронта разрывов также определяется
Р. ч. согласно формуле б/л = 1/Деа.
Коэфф. поглощения волны конечной
амплитуды ai превышает малоампли-
малоамплитудный коэфф. поглощения а в Р. ч.
раз: ai/a = Rea. Т. о., акустич. Р. ч.
является важнейшим параметром, оп-
определяющим характеристики интен-
интенсивной звуковой волны.
К. А. Наугольных.
РЕЛАКСАЦИЯ акустиче-
акустическая — внутренние процессы вос-
восстановления термодинамич. равнове-
равновесия среды, нарушаемого сжатиями и
разрежениями в УЗ-вой волне. Соглас-
Согласно термодинамич. принципу равно-
равномерного распределения энергии по
степеням свободы, энергия поступа-
поступательного движения в звуковой волне
переходит на внутренние степени сво-
свободы, возбуждая их, в результате чего
уменьшается энергия, приходящаяся
на поступательное движение. Поэтому
Р. всегда сопровождается поглощением
звука, а также дисперсией скорости
звука.
Характерный механизм акустич. Р.
в газах — обмен энергией между по-
поступательными и внутренними степе-
степенями свободы молекул. Р. может быть
колебательной и вращательной, при
этом звуковая энергия расходуется на
возбуждение соответственно колеба-
колебательных и вращательных степеней
свободы молекул. Другие виды Р.
в газах и жидкостях: электронная,
при к-рой возбуждаются электронные
уровни; структурная, при к-рой под
действием УЗ происходит перестрой-
перестройка внутренней структуры жидкости;
химическая, при к-рой под действием
УЗ протекают химич. реакции, и т. п.
Акустич. Р. возможна и в твёрдых
телах; напр., при распространении
УЗ в полупроводниках и металлах
акустич. волна нарушает равновес-
равновесное распределение электронов прово-
проводимости, что приводит к поглощению
волны (см. Взаимодействие ультра-
ультразвука с электронами проводимости).
Релаксационный процесс обычно ха-
характеризуется временем релаксации т,
за к-рое параметр, характеризующий
первоначальное отклонение системы от
состояния равновесия, уменьшается
в е раз. Время Р. зависит от микроско-
пич. свойств вещества, таких, напр.,
как число соударений молекул газа
в единицу времени и эффективность
передачи энергии при этих соударе-
соударениях. В данном газе при данной
темп-ре время т прямо пропорциональ-
пропорционально числу соударений, необходимых для
возбуждения соответствующих степе-
степеней свободы. Напр., для возбуждения
вращательных степеней свободы в га-
газе обычно достаточно 10—100 соуда-
соударений молекул, а для возбуждения
колебательной степени свободы нуж-
нужно 10>—106 соударений. Это означа-
означает, что величина т для колебатель-
колебательной Р. гораздо больше, чем для вра-
вращательной. Время Р. зависит от
темп-ры и давления, поскольку при
изменении этих величин изменяется
частота соударений между молеку-
молекулами.
Влияние релаксационных процес-
процессов иа УЗ-вую волну зависит от соот-
соотношения между её периодом Г и вели-
величиной т. Чем меньше отношение т/Г,
тем полнее успевает восстановиться
нарушенное равновесие; чем это от-
отношение больше, тем в меньшей сте-
степени равновесие восстанавливается.
Т. о., степень восстановления равно-
равновесия зависит от величины (от. Для
описания неравновесного состояния
среды вводят дополнительный пара-
параметр |, к-рый наз. «внутренним» па-
параметром среды. Напр., при химич. ре-
релаксации в качестве | можно выбрать
концентрацию одного из компонентов
химич. реакции. Для описания рас-
распространения звука в среде с Р. надо
рассматривать как «внешние» парамет-
параметры среды, такие, как давление Р,
плотность р, темп-pa (энтропию при
рассмотрении акустич. Р. можно счи-
считать постоянной), так и внутренний
параметр |. Ур-ние, описывающее
изменение параметра ? со временем t,
имеет вид:
где g0 — равновесное значение пара-
параметра %. Звуковое давление р в УЗ-вой
волне, распространяющейся в среде
с Р., оказывается равным сумме дав-
давления, обусловленного только изме-
изменением плотности, и добавочного дав-
давления, обусловленного наличием ре-
РЕЛАКСАЦИЯ
305
лаксационного процесса. Посколь-
Поскольку, согласно ур-нию A), при раз-
разных частотах отклонение § от рав-
равновесного значения различно, доба-
добавочное давление при том же изменении
плотности оказывается разным, что
приводит к появлению зависимости
скорости звука от частоты, т. е. к дис-
дисперсии скорости звука. Т. к. добавоч-
добавочное давление по фазе сдвинуто относи-
относительно изменения плотности, появля-
появляется дополнительное (релаксационное)
поглощение.
Зависимость скорости звука с от ча-
частоты о имеет вид:
B)
са = с. 1 +
+ СО2Т2
где с0 — скорость звука при шт < 1
и Соо — скорость звука при от > 1;
где производная для с0 берётся
при равновесном значении g0, a
для Сое —при нек-ром фиксированном
значении %. Коэфф. поглощения зву-
звука, обусловленного релаксационным
процессом, приближённо равен:
2с»
C)
Выражение C) справедливо при усло-
условии малости дисперсионного скачка
с3 — с\ по сравнению с с\, к-рое всег-
всегда оказывается выполненным для ре-
реальных сред. При этом коэфф. погло-
поглощения на длину волны арЯ мал по
сравнению с единицей. На малых ча-
частотах добавочный коэфф. релак-
релаксационного поглощения феноменоло-
феноменологически эквивалентен наличию объём-
объёмной вязкости с эффективным коэфф.
вязкости Сэфф = рт(е^ — с").
Определяя с^ — с\ и т из измере-
измерений скорости и поглощения звука,
можно судить о молекулярных про-
процессах, протекающих в веществе под
действием УЗ-вой волны. Выражения
B) и C) имеют общий характер и при-
применимы для любого вещества: газа,
жидкости или твёрдого тела, в к-ром
имеется один релаксационный процесс.
Из зависимости скорости звука от ча-
частоты (рис. 1) видно, что в области
частот, близких к частоте Р. Шр =1/т,
скорость звука возрастает, а вне обла-
области Р.— является постоянной величи-
величиной. Частотная зависимбсть коэфф.
релаксационного поглощения на дли-
длину волны ар к (рис. 2) имеет характер-
характерный максимум на частоте шр. Величи-
Величина ар Я, в максимуме связана с величи-
1
ют
Рис. 1. Зависимость квадрата скорости
звука с от частоты to для одного релакса-
релаксационного процесса.
ной, характеризующей дисперсию ско-
скорости звука соотношением: арЯ za
п
При дальнейшем уве-
личении частоты в области сот > 1
коэфф. поглощения на одну длину
волны стремится к нулю, а коэфф. по-
поглощения на единицу длины стремит-
стремится к постоянной, равной ар= .
2тс0
Ввиду большой ширины дисперсион-
дисперсионной области, для экспериментального
Рис. 2. Зависимость коэффициента по-
поглощения звука ар на длину волны Л ОХ
частоты а; е
определения основных характеристик
Р., а именно величин с^ — с2 и т,
нужно производить измерения с и а
в широком интервале частот па обе
стороны ор. На практике релакса-
релаксационное поглощение УЗ накладывает-
накладывается на обычное поглощение, обуслов-
обусловленное вязкостью и теплопроводно-
теплопроводностью, поэтому экспериментальные кри-
306
РЕЛАКСАЦИЯ
вые для а не имеют таких ярко выра-
выраженных максимумов, как показано
на рис. 2. Для получения кривых ре-
релаксационного поглощения необхо-
необходимо исключать вклад других видов
поглощения.
Возможны случаи, когда в среде
имеется одновременно несколько ре-
релаксационных процессов, к-рые ха-
характеризуются разными временами
Р., напр, колебательная Р., происхо-
происходящая одновременно с химич. реак-
«¦X
Рис. 3. Зависимость скорости звука с/с, и
коэффициента релаксационного поглоще-
поглощения ар на длину волны X от частоты (о,
отнесённой к давлению газа Р при нали-
наличии релаксационного процесса.
цией, или же несколько различных
процессов структурной перестройки
в жидкости. Если релаксационные
процессы обладают сильно различаю-
различающимися временами Р., то дисперсион-
дисперсионные ступеньки на графике зависимо-
зависимости скорости звука от частоты и релак-
релаксационные максимумы на кривой ча-
частотной зависимости поглощения хо-
хорошо разделяются (рис. 3). Если же
несколько релаксационных процессов
обладают близкими временами Р.,
то вид кривых дисперсии и поглоще-
поглощения усложняется.
Хотя общие закономерности аку-
стич. Р. одинаковы для любых ве-
веществ, имеются нек-рые особенности
для релаксационных явлений в газах,
жидкостях и твёрдых телах. Так,
напр., в газах т ~ 1/Р, где Р — дав-
давление газа. Релаксационные кривые
для скорости и поглощения в газах
изображают обычно как функции ве-
величины ы/Р. В газах, как правило,
преобладает колебательная Р.; труд-
трудности выделения того или иного ре-
релаксационного процесса часто свя-
связаны с влиянием примесей, к-рые мо-
могут сильно сказываться как на вели-
величине сг — с', так и на времени т.
В двухатомных газах значения т обыч-
обычно очень велики и область Р. лежит
ниже УЗ-вого диапазона частот. Для
более сложных газов частота (ор
выше (порядка 105 — 107 Гц при дав-
давлении 1 атм).
В жидкостях основными релакса-
релаксационными процессами являются коле-
колебательная Р., внутримолекулярные
превращения, структурная релакса-
релаксация, химич. Р. Временах в жидкостях
значительно меньше, чем в газах, т. к.
все процессы перестройки соверша-
совершаются быстрее. Во многих жидкостях
Ир лежит в области гиперзвука.
В твёрдых телах акустич. Р. может
иметь различную природу. Напр.,
Р. имеет место при взаимодействии УЗ
с электронами проводимости в полу-
полупроводниках. В этом случае шр рас-
растёт с ростом проводимости кристалла
и уменьшается с ростом темп-ры и под-
подвижности носителей тока, а величина
дисперсии определяется коэфф. элек-
тромеханич. связи. Релаксационные
процессы имеют место также в поли-
полиморах, резинах и различных вязко-
упругих средах. В этих веществах
наблюдается значительная дисперсия
звука, вызванная релаксацией меха-
механизма высокой эластичности.
Лит.: Мандельштам Л. И., Л е-
онтович М. Л., К теории поглощения
звука в жидкостях, «ЖЭТФ», 1937, т. 7,
в. 3; Физическая акустика, под ред. У. Мз-
зона, пер. с англ., т. 2, ч. А и Б, М., 1968 —
1969; Михайлов И. Г., Соловьев
В. А., Сырников Ю. П., Основы моле-
молекулярной акустики, М., 1964; Herzfeld
К. F., LitovitzT. A., Absorption and
dispersion of ultrasonic waves, N. У.— L.,
1959. А. Л. Полякова.
РЕФЛЕКТОР акустический —
устройство, состоящее из одно-
одного или нескольких зеркал, обе-
обеспечивающее практически полное от-
отражение падающих на него упругих
волн. Свойства акустич. Р. опреде-
определяются степенью шероховатости отра-
отражающей поверхности (см. Зеркало),
формой отражающей поверхности и
коэфф. отражения. По форме отра-
отражающих поверхностей Р. подразде-
подразделяются на плоские, сферические, ци-
цилиндрические, эллипсоидальные, ги-
гиперболоида льные , параболоидальные
и др., а по числу отражающих поверх-
поверхностей — на однозеркальные, двух-
РЕФЛЕКТОР
307
зеркальные (бизеркальные), трёхзер-
кальные и т. д.
Основная характеристика акустич.
Р.— коэфф. отражения R, к-рый
представляет собой отношение сред-
средних по времени интенсивностей звука
Рис. 1. Схемы рефлекторов: а —сфериче-
—сферического 1 с плоским излучателем 2\ б — эл-
эллипсоидального 1 со сферическим излуча-
излучателем 2; F — фокус; / — фокусное рас-
расстояние; 3 — угол падения звукового
луча; г — радиус кривизны зеркала.
в отражённой и падающей волнах.
Для безграничного плоского Р. (зер-
(зеркала), на к-рый падает плоская волна
под углом Р к нормали к его поверх-
поверхности,
R = ¦
i — q Vl — n2sin2P
cos p + q Vl — n2sin2 p
где д — отношение волновых сопротив-
сопротивлений среды и материала зеркала, п —
показатель преломления (см. Отраже-
Отражение звука, Преломление звука).
Акустич. Р. применяются для изме-
изменения направления распространения
волн. Напр., для получения стоячей
Рис. 2. Параболоидальный рефлектор 1
с плоским излучателем г.
волны Р. изменяет направление бегу-
бегущей волны на противоположное, а для
создания бегущей волны — направля-
направляет волну налоглотитель. При фокуси-
фокусировке звука Р. изменяют направление
падающей на него волны таким обра-
образом, что в нек-рои части пространства
возникает концентрация энергии отра-
отражённых волн. Р., предназначенные
для фокусировки звука, подразделя-
подразделяются в соответствии с их назначением
на две категории: для концентрации
энергии упругих волн (см. Концентра-
Концентратор) и для излучения, приёма и пре-
преобразования сигналов, несущих к.-л.
информацию. Первые применяются
гл. обр. в устройствах, предназна-
предназначенных для воздействия УЗ на раз-
различные вещества и процессы в УЗ-вой
технологии и на биологпч. объекты
в медицине, вторые — в приёмно-из-
лучающих устройствах для формиро-
формирования диаграмм направленности в при-
приборах звуковой локации для целей
медицинской диагностики, гидроло-
гидролокации и т. п., а также в устройствах
для получения изображений при по-
помощи упругих волн.
Простейший акустич. Р.— вогнутая
поверхность 1 (рис. 1,а), имеющая
форму сферы или прямого кругового
Рис. 3. Однозеркальные рефлекторы в ви-
виде усечённых параболоидов вращения 1
с излучателями г в виде а — плоского
диска и б — цилиндра, расположенного
соосно с параболоидом.
цилиндра. Фокусное расстояние / та-
такого Р. равно расстоянию от поверх-
поверхности рефлектора до точки пересече-
пересечения отражённого луча с акустич.
осью, когда на Р. в направлении
этой оси падает плоская волна от
излучателя. Если р — угол падения
луча, параллельного акустич. оси,
а г — радиус кривизны Р., то
/ = г A-V, cos|3).
При р я» 0 / = г/2.
Параболоидальный Р. 1 (рис. 2)
собирает без аберрации в фокусе F
лучи от плоского излучателя 2. Эллип-
Эллипсоидальный Р. 1 (рис. 1,6) позволяет
сконцентрировать в фокусе F энергию
сферич. излучателя 2, центр к-рого
совпадает с фокусом эллипсоида О.
Однозеркальные Р. (рис. 3) могут ис-
использоваться для концентрации зву-
звуковой энергии, а бизеркальные — как
308
РЭЛЕЯ ВОЛНЫ
для концентрации энергии (рис. 4,а),
так и для получения УЗ-вых изобра-
изображений и формирования диаграмм на-
направленности (рис. 4,6).
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1953, с. 312—14; Р о з е н б е р г Л. Д.,
Звуковые фокусирующие системы, М.—Л.,
1949, с. 25—44; Дианов Д. Б., Про-
Прохоров В. Г., «Акуст. ж.», 1965, т. 11,
JM5 4, с. 442—52; Каневский И. Н.,
Фокусирование звуковых и ультразвуко-
ультразвуковых волн, М., 1975. И. Н. Каневский.
РЭЛЕЯ ВОЛНЫ — упругие волны,
распространяющиеся в твёрдом теле
вдоль его свободной границы и зату-
затухающие с глубиной. Их существование
было предсказано Дж. У. Рэлеем
в 1885. Примеры Р. в.— волны на
Схематическое изображение волны Рэлея,
распространяющейся в направлении оси
х вдоль свободной границы твёрдого тела,
перпендикулярной оси z; и, w — компо-
компоненты колебательного смещения частиц
среды; эллипс — траектория их движения.
земной поверхности, возникающие
при землетрясениях, УЗ-вые и гипер-
гиперзвуковые поверхностные волны в твёр-
твёрдых телах, широко применяемые в сов-
современных физич. исследованиях и
технике.
В плоской Р. в. в однородном изо-
изотропном упругом полупространстве
имеются две компоненты смещения
(рис.), одна из к-рых и направлена
вдоль направления распространения
волны (ось х), а другая w — пер-
перпендикулярно свободной границе в
глубь полупространства (направление
Рис. 4. Бизеркальные рефлекто-
рефлекторы: а — в виде усечённого 1 и
неусечённого 2 конусов и плоско-
плоского излучателя з; б — в виде элли-
эллипсоида вращения 1 и гиперболои-
гиперболоида вращения 2 и плоского излу-
излучателя 3 в виде диска. Изображе-
Изображение облучаемого объекта 4 форми-
формируется в фокусе F на приёмном эле-
элементе 5.
оси z с началом на границе), причём
u = Ak е-"' -
2qs
2ft2
h*+s
e~"\ cos (kx—-tat),
где t — время, ш — круговая частота,
s = У к* — к),
к — волновое число Р.в., kh kt— волно-
волновые числа продольных и поперечных
волн соответственно, А — произволь-
произвольная постоянная.
Толщина слоя локализации Р. в.
составляет от Я до 2Я, где Я — длина
волны. На глубине Я плотность энер-
энергии в волне « 0,05 плотности у по-
поверхности. Движение частиц в Р. в.
происходит по эллипсам, большая
полуось к-рых перпендикулярна по-
поверхности, а малая — параллельна
направлению распространения вол-
волны. Эксцентриситет эллипсов зависит
от расстояния до поверхности и от
коэфф. Пуассона а упругой среды.
Фазовая скорость Р. в. cR меньше
фазовых скоростей С] и с; продольных
и поперечных волн и определяется из
ур-ния:
^e_8Tj4_|_8 C-2S2) 7J-16 A -S2) = 0,
где т) = c/ct, % = ctlci. P. в. соответст-
соответствует вещественный корень этого
ур-ния, значения к-рого для твёрдых
сред заключены между 0,874 и 0,955.
Приближённое выражение для него
т) = @,87 + 1,12а)/A + а). Р. в. рас-
распространяются без дисперсии, их фа-
фазовая скорость равна групповой.
В анизотропных средах структура
и свойства Р. в. зависят от типа ани-
анизотропии и направления распростра-
распространения волн. Р. в. могут распростра-
распространяться не только по плоской, но и по
криволинейной свободной поверхности
твёрдого тела. При этом меняется их
скорость, распределение смещений и
напряжений с глубиной, а также
РЭЛЕЯ ДИСК
309
спектр допустимых частот, к-рый из
непрерывного может стать дискрет-
дискретным, как, напр., для случая Р. в. на
поверхности сферы.
Иногда под Р. в. понимают волны
не только на свободной границе твёр-
твёрдого тела, но также поверхностные
волны более общего типа, возникаю-
возникающие на границе твёрдого тела с жид-
жидкостью и на границе системы твёрдых
или жидких слоев с полупространст-
полупространством (см. Поверхностные волна).
Р. в. широко используются во всех
областях науки и техники. Так, напр.,
низкочастотные A0~2—10 Гц) Р. в.
используются в сейсмологии для ре-
регистрации землетрясений и в сейсмо-
сейсморазведке. В УЗ-вом диапазоне частот
Р. в. применяются для всестороннего
контроля поверхностного слоя образ-
образца: исследования характеристик по-
поверхностного слоя, выявления поверх-
поверхностных и околоповерхностных де-
дефектов (см. Дефектоскопия), опреде-
определения остаточных напряжений по-
поверхностного слоя металла, термич.
и механич. свойств поверхностного
слоя образца. Гиперзвуковые Р. в.
A08 — 1010 Гц) широко используются
в акусто электронике при создании
преобразователей электрич. сигналов,
ультра- и гиперзвуковых линий за-
задержки, усилителей электромагнит-
электромагнитных колебаний и систем для обработ-
обработки информации.
Лит.: Викторов И. А., Физические
основы применения ультразвуковых волн
Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966, гл. 1;
Кольский Г., Волны напряжения в
твердых телах, М., 1955, ч. 1, гл. 2, § 5;
Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Тео-
Теория упругости, 3 изд., М., 1965 (Теоретич.
физика, т. 7), гл. 3, § 24; Бреховских
Л. М., Волны в слоистых средах, М., 1973,
гл. 1, § 6; Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона и Р. Терстона, пер. с англ., т. 7,
М., 1974, гл. 4; Поверхностные упругие
волны. (Обзор), пер. с англ., «ТИЙЭР»,
1970, т. 58, JM5 8. И. А. Викторов.
РЭЛЕЯ ДИСК — прибор для абсо-
абсолютного измерения колебательной
скорости частиц в акустич. волнах,
распространяющихся в газах и жид-
жидкостях. Р. д. (рис. 1) представляет
собой тонкую круглую пластинку 1 из
лёгкого металла или слюды, подве-
подвешенную на длинной тонкой (обычно
кварцевой или металлической) нити 2.
Действие Р. д. основано на том, что
при обтекании пластинки (диска) по-
потоком жидкости или газа на её поверх-
поверхности возникает давление, к-рое мак-
максимально в тех местах, где скорость
потока минимальна. В точках ветвле-
ветвления потока А ж В (рис. 2) скорость
равна нулю, и поэтому давление
максимально. Возникающие силы соз-
создают вращающий момент, стремящий-
стремящийся повернуть пластинку перпендику-
перпендикулярно потоку и уравновешиваемый
упругостью нити. Изменение направ-
направления потока на противоположное не
меняет направления момента сил, по-
поэтому Р. д. устанав-
устанавливается в знакопе- 'у?
ременном поле ско- у
ростей акустической
волны.
Рис. 1. Схема изме-
измерения колебательной
скорости по методу
диска Рэлея.
Колебательная скорость v опреде-
определяется по ф-ле: v = ~|/Зт9/4рг38ш290,
где 9 — малый угол (рис. 1), на к-рый
поворачивается диск и к-рый наблю-
наблюдают по отклонению на шкале 3 свето-
светового луча, посылаемого осветителем 4
и отражённого от лёгкого зеркальца 5
на диске, р — плотность среды, 90 —
угол между нормалью к диску до
включения звука и направлением ко-
колебательной скорости, коэфф. упру-
упругости кручения нити т = 4лгМ/Тг
и определяется по периоду Т свобод-
Рис. 2. Линии то-
тока газа или жидко-
жидкости вблизи диска.
ных колебаний и моменту инерции
М Р. д., г — радиус диска, к-рый дол-
должен быть много меньше длины волны
звука Я. Р. д. обычно устанавливают
под углом 60 = 45°, т. к. при такой
ориентации его чувствительность мак-
максимальна; она тем больше, чем боль-
больше Т. Чувствительные Р. д. позво-
310 СВАРКА
ляют определять малые колебатель-
колебательные скорости v ~ 0,1 см/с. В звуковых
полях, где имеют место простые соот-
соотношения между колебательной ско-
скоростью, звуковым давлением р и ин-
интенсивностью звука / (напр., в поле
плоской волны), Р. д. пользуются для
определения р и I.
Р. д. инерционен; увеличение его
чувствительности ведёт к росту инер-
инерционности. Он подвержен влиянию
постоянных потоков как конвекцион-
конвекционных, так и возникающих в звуковом
поле (см. Акустические течения). Для
устранения этого влияния Р. д. ограж-
ограждают слоем марли в воздухе или экра-
экранами из тонкой плёнки в жидкости.
Р. д. чувствителен к сотрясениям,
вибрациям; он не пригоден для изме-
измерения в сильно неоднородных полях,
часто встречающихся в технике низко-
низкочастотного УЗ. Применение Р. д.
ограничено областью звуковых и низ-
низких УЗ-вых частот, т. к. на средних,
а тем более высоких частотах УЗ
практически невозможно удовлетво-
удовлетворить условию г < Я.
Лит.: Матаушек И., Ультразвуко-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Б е р а-
нек Л., Акустические измерения, пер.
с англ., М., 1952. Л. К. Зарембо.
С
СВАРКА ультразвуко-
ультразвуковая — способ соединения различных
материалов в твёрдом состоянии с по-
помощью УЗ-вых колебаний.
Сварка металлов. УЗ-вая С. метал-
металлов применяется для соединения дета-
деталей из одинаковых или различных
металлов без их расплавления. Соеди-
Соединяемые детали сжимаются с силой N,
нормальной к поверхности их сопри-
соприкосновения, затем возбуждаются
УЗ-вые колебания с частотой от 10
до 100 кГц, направленные по каса-
касательной к поверхности соприкоснове-
соприкосновения. Колебания детали 1 с частотой /
и амплитудой gx вызываются свароч-
сварочным наконечником 4 (рис. 1), к-рый
прижимается к детали с силой N,
направленной по оси z. Наконечник 4
действует на деталь 1 с переменной
силой ^sinoi (где ш = 2я/), парал-
параллельной оси х. Со стороны детали 1
на деталь 2 действует переменная сила
с a^fплитyдoй, меньшей Тх. Совмест-
Совместное действие в зоне С. нормальных
az и тангенциальных тж напряжений,
обусловленных соответственно силами
N и Тх, может создать в этой зоне
состояние предельной пластичности
или состояние текучести. В этих усло-
условиях в результате колебательного
движения деталей происходит их сое-
соединение за время т от десятых долей
секунды до единиц секунд.
Т. о., процесс С. определяется дей-
действием сил r^sinmi и N, связанных
х jiV (где [i — ко-
эфф. трения). Сжимающая сила N
зависит от предела текучести as сва-
свариваемого материала: N = Sas, где
S — площадь отпечатка наконечника
..__t-J б
Рис. 1. а — схема установки для ультра-
ультразвуковой сварки с продольными колеба-
колебаниями; б — область сварки с выделенной
пунктиром зоной сварки С; 1, г — свари-
свариваемые детали; з — опора; 4 — сварочный
наконечник; б — волновод-концентратор
продольных колебаний; 6—магнитострик-
ционный преобразователь; 7 — генератор
электрических колебаний.
4 (для плоского круглого наконечни-
наконечника радиусом а площадь S = па2).
Чтобы обеспечить однородное напря-
напряжённое состояние в зоне С. (рис. 1,6),
необходимо выполнение условия а > 36,
где б — толщина детали 1. Величина
СВАРКА
311
амплитуды колебаний |0 наконеч-
наконечника 4, необходимая для С, также
определяется характеристиками сва-
свариваемого материала — пределом те-
текучести при сдвиге и модулем
сдвига. Амплитуда силы Тх опреде-
определяется через упругие характеристи-
характеристики материала сварочной системы
и параметры её колебательного ре-
режима.
При условии Тх > \i.N в области С.
имеют место процессы, связанные с су-
сухим трением скольжения: происхо-
происходит схватывание соприкасающихся
вершин естественных микронеровно-
микронеровностей соединяемых поверхностей и за-
затем типичное для сухого трения раз-
разрушение вблизи узла схватывания.
Процессы схватывания и разрушения
повторяются многократно. Число уз-
узлов схватывания растёт с течением
времени, а металл вблизи них нахо-
находится в высокопластичном состоянии,
что способствует образованию сплош-
сплошного соединения. В таком соединении
структура металла искажена по срав-
сравнению с первоначальной и имеют место
значительные остаточные напряже-
напряжения, снижающие его прочность.
Если же Тх ^ \iN, то вершины со-
соприкасающихся микронеровностей де-
деформируются в отсутствии скольже-
скольжения, и процессы, характерные для
сухого трения скольжения, не имеют
места. Под действием напряжений
az и хх происходит лишь пластич.
растекание вершин контактирующих
микронеровностей, сближение соеди-
соединяемых поверхностей и затем диффу-
диффузионное «сращивание» зёрен металла
обеих деталей. Структура зоны соеди-
соединения в этом случае (напр., при С.
одинаковых материалов) практически
не отличается от исходного металла.
Прочность при испытаниях на срез
и отрыв у соединений, полученных
в режиме Тх > ц JV, составляет соот-
соответственно 60 и 20% от прочности ма-
материала, а в режиме Тх г$ jxiV — 80
и 50% от его прочности, причём более
95% соединений имеют разброс проч-
прочности в пределах 5—10%.
УЗ-вая С. производится с помощью
стержневых колебательных систем, со-
совершающих продольные (рис. 1), из-
гибные (рис. 2) и крутильные (рис. 3)
колебания. В состав колебательной
системы входят резонансный магни-
тострикционный (или пьезоэлектриче-
пьезоэлектрический) преобразователь и УЗ-вой кон-
концентратор (в ряде случаев двухполу-
волновой длины) со сварочным нако-
наконечником. Длина опоры в сварочных
установках с изгибными и крутильны-
крутильными колебаниями выбирается близкой
к нечётному числу Я./4, где к — длина
волны выбранной моды нзгибных (кру-
Рис. 2. Схема установки для ультразву-
ультразвуковой сварки с изгибными колебаниями:
1—в —то же, что и на рис. 1; преобразо-
преобразователи работают в противофазе; СТ —•
изгибно колеблющийся стержень.
тильных) колебаний в материале опо-
опоры. Конструкции УЗ-вых сварочных
устройств рассчитаны на точечную
или на шовную С. Оба вида С. произ-
производятся с помощью колебательных
систем всех трёх типов.
Мощность УЗ W, затрачиваемая
на процесс С, определяется амплиту-
амплитудой колебательной скорости |0 нако-
наконечника 4, амплитудой силы Тх и
фазовым сдвигом ср между ними:
Рис. 3. Схема
крутильной коле-
колебательной систе-
системы для ультра-
ультразвуковой сварки:
1—3 —то же, что
и на рис. 1; 4 —
волновод; 5,6 —
пассивные на-
накладки преобра-
преобразователя; 7 — ак-
активный элемент
преобразовате-
преобразователя — пьезокера-
мическое кольцо.
W = Тх?д cos ф; необходимая для С.
энергия Е = Wx. Мощности устройств
для УЗ-вой С. составляют от единиц
Вт до кВт.
Параметрами режима С. являются
сила N, амплитуда колебаний нако-
наконечника |0, связанная с Тх, и время С.
т. Относительно выбора первых трёх
параметров сказано выше, время т под-
подбирается экспериментально и опреде-
определяет энергию, необходимую для обра-
образования соединения. Напр., при мик-
микросварке алюминиевого проводника
312
СВАРКА
диаметром 25 мкм с плёнкой алюминия
толщиной 1 мкм, нанесённой на крем-
кремниевую подложку, N = 0,3—0,4 Н,
1о = 2—5 мкм, / = 60 кГц, т = 0,1—
0,2 с, затрачиваемая электрич. мощ-
мощность We — 20—50 Вт. Примерно
при таких же параметрах произво-
производится приварка алюминиевых и золо-
золотых проводников к чистым поверхно-
поверхностям полупроводниковых кристаллов.
С. медной фольги толщиной 0,2 мм
в режиме / = 20 кГц, N = 900 Н,
?0 = 7 мкм осуществляется за время
0,3—0,5 с при затрачиваемой мощ-
мощности We = 1,2 кВт. Медные листы
толщиной 1,0 мм соединяются при
N = 4400 Н, g0 = 13—15 мкм,
/ = 20 кГц за время 1,2—1,3 с при
We = 4 кВт.
При УЗ-вой С. металлов необходи-
необходимо обеспечить отсутствие адгезии (сли-
(слипания) сварочного наконечника и де-
детали. Наконечник, иыгытывающий пе-
переменные механич. и тепловые нагруз-
нагрузки, должен обладать высокой усталост-
усталостной стойкостью. Этим требованиям
удовлетворяют наконечники с мало-
малотеплопроводными наплавками.
УЗ-вая С. металлов применяется
в приборостроении, микроэлектрони-
микроэлектронике, электронике; она используется
также для соединения рулонов фольг
непрерывным швом со скоростью
2 м/мин, для сварки листов меди и
алюминиевых сплавов толщиной
8 =&: 1 мм. Предельная толщина дета-
детали, взаимодействующей с наконечни-
наконечником, ограничена: даже для весьма
пластичных металлов — Си и А1 —
она не превосходит 1—3 мм. Разнооб-
Разнообразие применений определяется боль-
большим количеством сочетаний различ-
различных металлов, соединяемых с помощью
УЗ-вой С. (рис. 4). Кроме того, при
УЗ-вой С. сводится к минимуму тер-
мич. воздействие (темп-pa в зоне С.
не превышает 0,5 абсолютной темп-ры
плавления свариваемого металла) и
отсутствуют изменения структуры ма-
материала, характерные для С. плавле-
плавлением. Это преимущество УЗ-вой С.
существенно для её применений в мик-
микроэлектронике, где она заменяет тер-
термокомпрессионную С. В ряде случаев
только УЗ-вая С. обеспечивает нуж-
нужное качество соединений, напр. С.
дисперсионно упрочнённого торием ни-
никеля. С. весьма тонких фольг, а так-
также С. фольги или тонкой проволоки
с массивными деталями, С. оксидиро-
оксидированной алюминиевой фольги при изго-
изготовлении конденсаторов, микросварка
в полупроводниковых приборах и сое-
соединение выводов интегральных схим.
Для полученных с помощью УЗ-вой
С. соединений характерны высокая
Be Ge Fe Mo Co Pt SI Та Ti U Pb
Al
Ag|Sn|w|Zr|Zn
Рис. i. Сочетания
материалов, к-рые
можно сваривать
с помощью уль-
ультразвука.
прочность и пластичность, низкий
уровень остаточных напряжений, ста-
стабильность качества, хорошая усталост-
усталостная стойкость и стойкость в агрессив-
агрессивных средах, герметичность соедине-
соединений с замкнутым швом.
Сварка полимерных материалов.
УЗ-вая С. применяется для сварива-
сваривания поликарбонатов, стирола, полипро-
полипропилена, поливинил-
хлорида и др. мате-
материалов, обычно без
их расплавления. В
этом случае свароч-
Рис. 5. Схема установ-
установки для ультразвуковой
сварки полимерных ма-
материалов: 1,2 — соеди-
соединяемые материалы; 3—
опора; 4 — сварочный
наконечник; 5 — волно-
волновод-концентратор полу-
полуволновой или волновой
длины; 6 — магнито-
стрикционный преобра-
преобразователь.
ный наконечник 4 (рис. 5), прижатый
силой N к поверхности соединяемых
листов (или деталей) 1 и 2, колеблется
с УЗ-вой частотой / = 20—100 кГц
и амплитудой ?0. Направление колеба-
колебаний обычно совпадает с направлением
действия силы N и перпендикулярно
поверхности соприкосновения листов.
Можно использовать также ориента-
ориентации колебаний, характерные для
УЗ-вой С. металлов. В результате
свистки
313
совместного действия силы N и УЗ-вых
колебаний происходит соединение
листов или деталей из полимерных
материалов за время т. от 0,1 до 5—10 с
в зависимости от толщины материалов.
Основные параметры режима УЗ-вой
С. полимерных материалов те же, что
и для С. металлов: N, ?0, т.. Однако
при С. полимеров величина N в не-
несколько раз меньше (десятки — сотни
Н), а величина ?0 в несколько раз
больше B5—70 мкм), чем при УЗ-вой
С. металлов.
Под действием УЗ-вых напряжений
пластичность полимера возрастает ли-
либо во всём объёме между сварочным
наконечником и опорой (при сварке
тонких плёнок), либо только в объёме
зоны контакта соединяемых материа-
материалов, где имеются естественные или спе-
специально создаваемые неровности со-
соединяемых поверхностей (сварка объ-
объёмных деталей). При этом вначале
образуется физич. контакт поверхно-
поверхностей и происходит активация поли-
полимерных молекул за счёт разрыва хи-
мич. связей, затем начинается химич.
взаимодействие соединяемых материа-
материалов, переходящее в объёмное взаимо-
взаимодействие в зоне соединения. Гистере-
зисные потери при деформировании
полимерного материала с УЗ-вой ча-
частотой обусловливают его нагрев до
темп-р, соответствующих вязкотеку-
чему состоянию (аморфные полимеры)
или плавлению кристаллов (частично
кристаллич. полимеры). При темп-рах
высокоэластичного состояния происхо-
происходит диффузия отдельных сегментов
макромолекул свариваемых полиме-
полимеров, а в ряде случаев — и перемеши-
перемешивание вязкотекучего полимерного ма-
материала. При С. двух термопластов
различных марок возникают химич.
превращения. Величина сегмента мак-
макромолекулы определяет свариваемость
материала: чем больше сегмент (жёстче
макромолекула), тем лучше сваривае-
свариваемость. На прочность соединения, кроме
основных параметров режима, влияют
физико-механич. характеристики объ-
объекта сварки, геометрия и размеры УЗ-
вого инструмента. Обычно прочность
соединений составляет от 50 до 70%
прочности соединяемого материала.
Толщины соединяемых материалов со-
составляют от единиц мкм (плёнки) до
единиц мм (ткани, объёмные детали).
Напр., хорошо свариваются вини-
винипласт, органич. стекло, полистирол,
полиамиды, полиэтилентерефталат тол-
толщиной 10—40 мкм, полиэтилен тол-
толщиной 0,3—10 мм, а также ткани из
полиамидов (капрон) и полиэтилен-
терефталатов (лавсан) толщиной
0,2—0,3 мм.
Сварочные устройства представляют
собой или ручные сварочные пистоле-
пистолеты для шовной сварки, или стационар-
стационарные машины для сварки по контуру
прерывистым или непрерывным швом.
При т. н. дистанционной С. пользу-
пользуются стержневыми инструментами
сложной формы. УЗ-вые сварочные
инструменты выполняются из малотеп-
малотеплопроводных материалов с высокой
механич. добротностью.
Преимуществами УЗ-вой С. поли-
полимерных материалов являются: воз-
возможность С. объектов с загрязнён-
загрязнёнными или покрытыми инородными
плёнками поверхностями; локальное
выделение тепла в зоне С. и отсутствие
перегрева материала; получение со-
соединений в труднодоступных местах;
С. материалов с узким интервалом
кристаллизации. С помощью УЗ хо-
хорошо соединяются и такие материалы,
как искусственные кожи, натураль-
натуральные ткани с синтетическими, дублиро-
дублированные синтетич. ткани, синтетич. ни-
нити на ткацких станках, киноплёнка
и магнитофонные ленты. УЗ-вая С.
успешно применяется для С. корпу-
корпусов микродвигателей, игрушек, туб,
банок, контейнеров с продуктами
и т. д.
Лит.: Холопов Ю. В., Ультразвуке
вая сварка, Л., 1972; Мицкевич А. М.,
Ультразвуковая сварка металлов, в кн.:
Физические основы ультразвуковой техно-
технологии, М., 1970; Волкове. С, Орлов
Ю. Н., Ч е р н я к Б. Я., Сварка пластмасс
ультразвуком, М., 1974; Файерман
В. Т., Соединение текстильных материале»
ультразвуком, М., 1977, А. М. Мицкевич.
СВИСТКИ — механические устрой-
устройства для преобразования кинетич.
энергии струи в энергию акустич. ко-
колебаний; их работа основана на воз-
возникновении автоколебаний в струе
при её взаимодействии с препятствием
в виде острой кромки клина или резо-
резонирующей полости. В отличие от си-
сирен в С. нет движущихся деталей,
поэтому они более просты по конст-
конструкции и удобны в эксплуатации. По
типу рабочего тела и среды, для к-рой
они предназначены, С. делятся на га-
газовые и жидкостные. Отличительная
особенность газовых С. как газоструй-
газоструйных излучателей состоит в том, что они
314
свистки
работают при докритич. перепадах дав-
давления, вследствие чего их кпд относи-
относительно высок, а акустич. мощность не-
невелика.
Распространение получили три ти-
типа газовых С.— вихревые, Гальтона
свистки и несколько разновидностей
«губных» С. (напр., С. Левавассера).
Простейшая модель вихревого С. пред-
представляет собой цилиндрич. камеру 2
(рис. 1), в к-рую газ подаётся через
Рис. 1. Схема
вихревого сви-
свистка: J— вход-
входной патрубок;
2 — вихревая
камера; 3 —
вихревая тру-
трубка. Стрелка-
Стрелками показано
направление
движения газа.
тангенциально расположенную труб-
трубку 1. Образовавшийся в камере вих-
вихревой поток поступает в расположен-
расположенную по оси выходную трубку 3 мень-
меньшего диаметра, где интенсивность вих-
вихря резко возрастает, и благодаря этому
давление на оси становится значитель-
значительно ниже атмосферного; перепад дав-
давлений периодически выравнивается
в результате проскока газа из атмо-
атмосферы в выходную трубку и нарушения
структуры вихря. При этом давление
на выходе С. меняется с частотой /,
определяемой диаметром камеры D
и перепадом давлений Рг и Рг на входе
и выходе С:
ас
ш
г
Гц
{с — скорость звука, а — коэфф., учи-
учитывающий снижение тангенциальной
скорости в камере из-за трения). Вих-
Вихревой С. представляет собой акустич.
диполь (см. Излучение звука), ось
к-рого вращается синхронно со струёй.
Вихревые С. просты и надёжны
в работе, но их мощность в УЗ-вом
диапазоне частот (до 30 кГц) не пре-
превышает единиц Вт. Увеличение мощ-
мощности может быть достигнуто путём ис-
искусственного понижения давления по
оси камеры либо с помощью установ-
установки внутри камеры цилиндрического
резонатора, настроенного на частоту
излучения. Вихревые С. используют-
используются в газовых горелках (см. Горение
в ультразвуковом поле), а также при-
применяются для обработки жидкости
(для УЗ-вого распыления топлива
в форсунках или для обработки суспен-
суспензий, напр, цементного теста). Жид-
Жидкостные вихревые С, выполненные по
принципу газовых, применяются для
получения эмульсий (см. Эмульгирова-
Эмульгирование ультразвуковое).
Простейший С. с тангенциальным
вводом струи в резонатор, т. н. губ-
губной С. (рис. 2,а), лежит в основе ряда
конструкций мощных излучателей.
Его работа основана на высокой чувст-
чувствительности плоских струй к боковому
давлению: при весьма малых измене-
изменениях давления у корня струи она за-
заметно меняет своё направление. При
продувании воздуха через щелевое
сопло в случае малых скоростей исте-
истечения (избыточное давление РИ воз-
воздуха до 0,1 кгс/см2) тангенциально
расположенный цилиндрич. резонатор
с продольной прорезью можно рас-
рассматривать как объёмный, частота
к-рого определяется ф-лой:
, с лГ~аЪ А „
где а — коэфф., зависящий от разме-
размеров и формы отверстия (а = 0,7—0,75),
b — длина резонатора, V — его объ-
объём; если диаметр резонатора d выра-
выражен в см, то А = 5100 см/с. Периоди-
Периодически наполняясь и разгружаясь, ре-
резонатор управляет движением струи,
вследствие чего возникают пориодич.
сжатия и разрежения воздуха, рас-
распространяющиеся в виде акустич.
волны. Кпд «губных» С. достигает
28% при мощности около 1 Вт. При-
Применяются они в системах сигнализа-
сигнализации и дистанционного управления ме-
механизмами. Один из методов повыше-
повышения мощности без снижения кпд —
использование многоэлементной си-
системы, в к-рой отдельные С. синхро-
синхронизованы между собой. Второй способ
повышения мощности путём увеличе-
увеличения давления и расхода газа реализу-
реализуется в С. Левавассера, представляю-
представляющем собой тело вращения в виде коль-
кольцеобразного сопла 4 с тороидальным
резонатором 5 (рис. 2,6). Такие С.
выполняются со вторичными (тоже
тороидальными) резонаторами 6, обе-
обеспечивающими увеличение амплитуды
колебаний и облегчающими согласо-
согласование излучателя с выходным экспо-
экспоненциальным рупором 7. Частота зву-
звука, возбуждаемого С. со вторичным
резонатором, расположенным снаружи
СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ
315
от основного, определяется выраже-
выражением:
где D — средний диаметр тороида,
d — диаметр его образующей окруж-
окружности в см, а А = 7030 см/с. При
ри = 0,4 кгс/см2 и расходе воздуха
390 м3/ч С. Левавассера имеет мощ-
мощность звука 260 Вт при кпд 21%.
Рис. 1. а — схема «губного» свистка: 1 —
щелевое сопло, 2 — цилиндрический ре-
резонатор, 3 — щель в резонаторе с острым
краем; б — разрез свистка Левавассера:
4 — сопло, 5 — основной (тороидальный)
резонатор, 6 — вторичный (тороидаль-
(тороидальный) резонатор, 7 — горло рупора.
Подобные С. могут работать и при
сверхзвуковых режимах течения
(Ри > 1,9 кгс/см2). В этом случае
струя, попадая в резонатор, обтекает
его изнутри и, действуя под прямым
углом к потоку, выталкивает поток
из резонатора; давление в резонаторе
падает, и струя возвращается в своё
первоначальное положение. При
Рп = 2,5 кгс/см2 мощность С. возра-
возрастает почти вдвое D70 Вт), но кпд
снижается до 10,8%. С. типа С. Ле-
Левавассера применяются для интен-
интенсификации ряда технологических про-
процессов.
Из жидкостных С. наиболее рас-
распространены С. пластинчатого и стерж-
стержневого типов (см. Гидродинамические
излучатели). Те и другие работают на
принципе возбуждения резонансных
колебаний вибратора в виде пластины
или стержня с помощью струи жидко-
жидкости, подаваемой под большим давле-
давлением (до 20 атм). В пластинчатых С.
струя вытекает из плоской щели,
а в стержневых — из дискового соп-
сопла, перед к-рым с зазором расположен
плоский или профилированный отра-
отражатель. Струя из сопла направляется
на заострённую кромку пластины или
рассекатель стержня; возникшие при
этом вихри в свою очередь воздейст-
воздействуют на струю у выхода из сопла, мо-
модулируя её и обеспечивая интенсив-
интенсивные автоколебания в системе струя —
вибратор. Собственная частота вибра-
вибратора зависит от его размеров, упругих
свойств материала и способа закрепле-
закрепления.
Жидкостные С. используются гл.
обр. в качестве гидродинамич. эмуль-
эмульгаторов, при этом производительность
пластинчатых С. достигает 2000 л/ч,
а многостержневых — в несколько
раз больше.
Лит.: Гавр о В., в кн.: Акустическая
коагуляция аэрозолей. Сб. переводов, М.,
1961, с. 41—54; ГершгалД. А.,Фрид-
А.,Фридман В. М., Ультразвуковая аппаратура
промышленного назначения, М., 1967;
Бергман Л., Ультразвук и его приме-
применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд.,
М., 1957. Ю. Я. Борисов.
СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ —
колебания, совершающиеся в колеба-
колебательной системе, выведенной из со-
состояния равновесия и предоставленной
самой себе. Любое С. к. данной коле-
колебательной системы можно представить
в виде суперпозиции нормальных ко-
колебаний (собственных колебаний) этой
системы.
СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ — попереч-
поперечные упругие волны, распространяющие-
распространяющиеся в твёрдых телах. Смещения частиц
в С. в. перпендикулярны направле-
направлению распространения волны, а дефор-
деформации являются деформациями сдви-
сдвига. Фазовая скорость С. в. cj = /ц/р,
где [I — модуль сдвига материала,
р — его плотность. Для большинства
твёрдых тел значения фазовых ско-
скоростей С. в. составляют 1,7—3,5 км/с.
В анизотропных твёрдых телах (кри-
(кристаллах) С. в. могут распространяться
только в определённых направлени-
направлениях, причём их фазовая скорость зави-
зависит от направления их распростране-
распространения. При произвольном направлении
распространения движение в волне
усложняется, и она переходит в ква-
квазипоперечную волну в кристалле. На
гиперзвуковых частотах ~ 109 Гц
и выше С. в. могут существовать и
в жидкости из-за наличия у неё в этом
частотном диапазоне модуля сдвига.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц
Е. М., Теория упругости, 3 изд., М., 1965
(Теоретич. физика, т. 7), гл. 3, § 22, 23;
Кольский Г., Волны напряжения в
твердых телах, пер. с англ., М., 1955, ч. 1,
гл. 2, § 1—4; Бергман Л., Ультразвук
и его применения в науке и технике, пер.
с нем., 2 изд., М., 1957, гл. 5, § 1; Р 1 с с е-
316
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
relli R., Litovitz Т. A., Ultrasonic
relaxation shear and volume viscosity of
liquid glyceraine, «JASA», 1957, v. 29, Mi 9.
И. А. Викторов.
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ — кристал-
кристаллические диэлектрики и полупро-
полупроводники, обладающие в определённом
интервале температур спонтанной по-
поляризацией, возникающей в резуль-
результате фазового перехода. Вследствие
этого у С, как правило, наблюдаются
аномально большие значения диэлек-
трич. проницаемости и пьезоэлектрич.
постоянных, сильная зависимость
свойств от темп-ры, электрич. гистере-
гистерезис, нелинейные эффекты. С. являются
разновидностью пироэлектриков (см.
Пироэлектричество, Сегнетоэлектри-
чество).
Высокая чувствительность С. к
внешним воздействиям позволяет ши-
широко использовать их в технике и
в физич. исследованиях. В частности,
С. (гл. обр. пьезокерамика) благодаря
сильному пьезоэффекту широко ис-
используются в качестве материалов для
пьезоэлементов в пьезоэлектрических
преобразователях.
Существует весьма большое число С.
различного химич. состава, в т. ч.
твёрдых растворов, как монокристал-
монокристаллов, так и поликристаллов. Классифи-
Классификация С. может осуществляться раз-
различными способами: по характеру фа-
фазового перехода A-го и 2-го рода)
вблизи Кюри точки, по типу связей
между структурными элементами кри-
сталлич. решётки и др. Наибольшее
распространение получила классифи-
классификация С. на основе структуры и свя-
связанной с ней симметрии кристаллич.
решётки.
1) Группа С. со структурой ти-
типа перовскита (основной пред-
представитель — титанат бария ВаТЮ3);
общая ф-ла: АВО3. Характерная осо-
особенность этой группы — наличие кис-
кислородного октаэдра, внутри к-рого
располагается 4-валентный ион редко-
редкоземельного элемента (Ti, Zr) или дру-
другие ионы, имеющие сравнительно ма-
малый радиус. Выше точки Кюри кри-
кристалл имеет кубич. структуру. В вер-
вершинах куба располагаются ионы В
(свинца, стронция и др.). Ионы кисло-
кислорода размещаются в центрах граней
куба, образуя октаэдр. Согласно тео-
ретич. представлениям, спонтанная
поляризация является результатом
смещения ионов Ti из центра к одному
из ионов кислорода; при этом решётка
деформируется и становится тетраго-
тетрагональной. Помимо титаната бария,
в этой группе С. известны РЬТЮ3,
SrTiO3, CdTiO3 и др. (цирконат свин-
свинца PbZrO3 является антисегнетоэлек-
триком). Все эти соединения могут
существовать как в виде монокристал-
монокристаллов, так и в виде поликристаллич. ке-
керамики (см. Пьезокерамика). Важная
особенность С. со структурой перов-
перовскита — способность образовывать сег-
нетоэлектрич. поликристаллич. твёр-
твёрдые растворы с другими соединениями,
имеющими аналогичную структуру,
напр. ВаТЮ3 — СаТЮ3; РЬТЮ3 —
PbZrO3; BaTiOj, — SrTiO3. Это поз-
позволяет создавать новые виды пьезо-
керамики и в определённых пределах
управлять её свойствами.
2) Группа сегнетовой с о-
л и (NaKC4H4O6-4H2O). Спонтанная
поляризация Существует в интерва-
интервале от —18 до 24°С, в к-ром кристалл
относится к моноклинному клас-
классу симметрии, а вне ого имеет
ромбич. структуру. Предполагается,
что поляризация обусловлена наличи-
наличием дискретных, смещённых из центра
симметрии положений иона водорода.
К этой группе относится ряд изоморф-
изоморфных кристаллов — С, в к-рых нек-рые
из атомов замещены, напр, вместо
Н20 в формулу включена тяжёлая
вода D20, вместо Na или К — руби-
рубидий Rb. Сегнетова соль обладает очень
высоким коэфф. электромеханнч. свя-
связи и используется, подобно нек-рым
керамич. перовскитам, в качестве
пьезоэлектрического материала.
3) Группа дигидрофос-
фата калия (КН2РО4), или сокра-
сокращённо К DP, при комнатной темп-ре
имеет тетрагональную решётку, при
темп-ре —150 °С переходит в сегнето-
электрич. состояние и решётка ста-
становится ромбической. Возникновение
спонтанной поляризации связывают
с особенностями связи водорода с со-
соседними группами РО4. Известно боль-
большое количество изоморфных КН2РО4
соединений, в т. ч. дигидрофосфат ам-
аммония (ADP), к-рые находят примене-
применение в различных электрооптич. уст-
устройствах. Кристаллы ADP использо-
использовались также для изготовления пьезо-
пьезоэлементов.
4) Группа ниобата ли-
лития (LiNbO3) имеет ромбоэдрич.
структуру. Характерная особенность
кристаллов этой группы — высокая
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
317
точка Кюри (в = 1140—1210 °С для
LiNbO3, в = 650 °С для LiTaO3), что
позволяет использовать их при отно-
относительно высоких темц-рах. Кристал-
Кристаллы LiNbO3 используются для электро-
электроакустических преобразователей в аку-
стоэлектронике, а также в оптич.
квантовых генераторах.
5) Группа сульфоиодида
сурьмы (SbSI). Выше точки Кюри
в = 18—22 С кристалл имеет ромбич.
структуру с горизонтальной плоско-
плоскостью симметрии, к-рая исчезает в сег-
нстоэлектрич. области из-за появле-
появления спонтанной поляризации вдоль
оси Z. При этом кристалл приобретает
сильно выраженную анизотропию. От-
Отличительная особенность этой группы
С. (SbSBr, BiSBr, а также их твёрдые
растворы) — сильно выраженный пье-
зоэффект при всестороннем сжатии
и растяжении с пьезомодулем d^ x
як 1000- 10~12Кл/Н, что открывает ряд
возможностей использования этих кри-
кристаллов для электроакустич. преобра-
преобразования и для измерений. Другая
важная особенность этой группы —
принадлежность её представителей
к С.-полупроводникам и наличие
сильной фотопроводимости.
Помимо перечисленных, имеется
ещё значительное количество других
групп С. (группы триглицинсульфа-
та, квасцов, сульфата аммония,
периодатов и др.).
Лит.: Иона Ф., Ш и р а н е Д., Сегне-
тоэлектрические кристаллы, пер. с англ.,
М., 1965; Смоленский Г. А. и др.,
Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики,
Л., 1971; ЖелудевИ. С, Электрические
кристаллы, М., 1969; Фесенко Е. Г.,
Семейство перовскита и сегнетоэлектриче-
ство, М., 1972. Р, Е. Пасынков.
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — со-
совокупность явлений, наблюдаемых
у кристаллич. веществ, у к-рых в ре-
результате самопроизвольного пониже-
понижения симметрии кристаллич. решётки
в определённом интервале темп-р и ме-
ханич. напряжений возникает, незави-
независимо от наличия внешнего электрич.
поля, макроскопич. электрич. мо-
момент — спонтанная поляризация. Ве-
Величина и направление спонтанной
поляризации у этих веществ — сегне-
тоэлектриков — существенно зависят
от темп-ры и могут быть изменены
электрич. полем и механич. напряже-
напряжениями.
Сегнетоэлектрики, как правило, со-
состоят из отдельных областей (доме-
(доменов), в пределах к-рых сохраняется
одно и то же направление спонтанной
поляризации. В отсутствии внешнего
электрич. поля и механич. напряже-
напряжений домены ориентированы так, что
средний электрич. момент образца
равен нулю; это соответствует более
выгодному энергетич. его состоянию
(рис. 1,а). При этом размеры доменов,
I ' i ' I
!
I
Hill
I I '
I !
!Н
Рис. 1. Схема доменной структуры моно-
монокристалла в отсутствии поля (а) и после
приложения сильного поля Е (б).
имеющие порядок 10~4—1 см, зависят
от размеров образца и от темп-ры.
При приложении электрич. поля до-
домены приобретают преимущественную
ориентацию («растут»), и при доста-
достаточно больших полях образец стано-
становится как бы однодоменным (рис. 1,5),
причём это состояние сохраняется и
после снятия электрич. напряжения,
благодаря чему удаётся, в частно-
частности, создавать широко применяемые
для электроакустич. преобразования
пьезоэлектрические материалы на ос-
основе сегнетоэлектриков с высокими
значениями пьезоэлектрич. модулей.
Впервые сегнетоэлектрич. свойства
были открыты у сегнетовой соли
NaKC4H4Oe-4H2O, откуда и возникло
это название. Электрич. свойства сег-
сегнетоэлектриков внешне подобны маг-
магнитным свойствам ферромагнетиков,
поэтому в зарубежной литературе их
наз. ферроэлектриками, а С.— ферро-
электричеством.
С.— разновидность пироэлектриче-
пироэлектричества, однако обычные пироэлектри-
ки не имеют доменной структуры и
поэтому не обладают свойствами, к-рые
являются отличительными признака-
признаками сегнетоэлектриков. К ним отно-
относятся: 1) аномально высокая диэлект-
рич. проницаемость е, достигающая
, 12
о
Т 8
Рис. 2. Зависимость ди-
диэлектрической проница-
проницаемости Е титаната бария
от температуры Т.
О 80 100 120 140 160 Т,°С
318
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
иногда нескольких десятков и сотен
тысяч единиц и имеющая резко вы-
выраженный максимум вблизи темп-ры,
при к-рой возникает или исчезает
спонтанная поляризация (Кюри точка)
(рис.2); 2) нелинейная зависимость
поляризации Р от электрич. поля Е
и наличие диэлектрич. гистерезиса
(рис. 3); 3) сильно выраженная зави-
зависимость поляризации от механич. на-
Рис. 3. Зависи-
Зависимость поляризации
Р сегнетоэлектри-
ка от электриче-
электрического поля Е и
петля диэлектри-
диэлектрического гистере-
гистерезиса: участок
АВ — начальная
кривая; OD — ос-
остаточная поляризация; ОК — спонтанная
поляризация; OF — коэрцитивное поле.
пряжений и как следствие — большое
значение нек-рых пьезоэлектрич. по-
постоянных и зависимость их от темп-ры
(рис. 4) (см. Пьезоэлектричество, Пье-
1,5
О
«ПО
S 5
20 40
60 80 100 120
Г, "С
Рис. 4. Зависимость пьезомодуля d3i
титаната бария от температуры.
зоэлектрики); 4) изменение ниже точ-
точки Кюри расстояний между атомами
кристаллич. решётки сегнетоэлектри-
ка, зависящее от ориентации поляри-
поляризации (т. н. спонтанная деформация);
5) нелинейная зависимость деформа-
деформации и от электрич. поля и наличие
электромеханич. гистерезиса (рис. 5);
6) наличие максимума у теплоёмкости
в области точки Кюри, а в нек-рых
случаях выделение или поглощение
тепла при переходе через точку Кю-
Кюри; 7) зависимость от электрич. поля
и механич. напряжений диэлектрич.,
механич. и пьезоэлектрич. коэффици-
коэффициентов.
Большая чувствительность свойств
сегнетоэлектриков к внешним воздей-
воздействиям с феноменологич. точки зре-
зрения — результат т. н. сегнетоэлек-
трич. фазового перехода, физич. при-
природа к-рого заключается в том, что
при понижении темп-ры вблизи точки
Кюри кристалл становится неустойчи-
В
D
Рис. 5. Зависимость деформации и от
электрического поля Е и кривая OABCDA
электромеханического гистерезиса.
вым и переходит в другое, энергети-
энергетически более выгодное состояние, при
к-ром появляется спонтанная поляри-
поляризация, кристаллич. решётка деформи-
деформируется и меняется её симметрия.
Напр., кристалл титаната бария
(рис. 6) при темп-ре Т > 120 °С имеет
кубич. решётку с центром симметрии
и не является пьезоэлектриком; при
понижении темп-ры возникает спон-
спонтанная поляризация, направленная
вдоль оси z, решётка теряет центр
симметрии и в интервале темп-р
120 °С > Г>0°С становится тетра-
тетрагональной. При дальнейшем пониже-
понижении темп-ры вблизи О °С вектор спон-
0-180-150-120-90-60-30 0 30 60 90 120 Г, "С
а
Кубическая Тетраго- Ромбическая Ромбоэдри-
нальная , чесная
О
Рис. 6. Изменение величины (а) и направ-
направления (б) вектора спонтанной поляризации
Ps в зависимости от температуры и изме-
изменения симметрии решётки титаната бария.
танной поляризации располагается
вдоль диагонали одной из граней (при
этом в интервале О °С > Т > —90 °С
решётка приобретает ромбич. симмет-
СИГНАЛИЗАТОРЫ УРОВНЯ
319
рию), и, наконец, вблизи —90 °С
он поворачивается вдоль объёмной
диагонали куба и решётка становится
ромбоэдрической.
По мере приближения темп-ры к точ-
точке Кюри сильнее проявляются специ-
фич. для сегнетоэлектрика свойства—
большие значения и нелинейная зави-
зависимость диэлектрич. проницаемости,
пьезомодулей и других постоянных.
Для сегнетоэлектриков, к-рые выше
точки Кюри не являются пьезоэлект-
риками, пьезоэффект в сегнетоэлек-
трич. области имеет характер «линеа-
«линеаризованной» эл-ектрострикции благо-
благодаря наличию постоянной спонтанной
поляризации и исчезает при обраще-
обращении спонтанной поляризации в нуль.
Сегнетоэлектрич. переходы подраз-
подразделяются на фазовые переходы 1-го
и 2-го рода. При фазовом переходе
2-го рода (сегнетова соль при 24 °С)
наблюдаются резко выраженные мак-
максимумы температурного хода диэлек-
диэлектрич. проницаемости, теплоёмкости,
коэфф. линейного расширения, пье-
зомодулей, упругих постоянных и др.
При фазовом переходе 1-го рода (ти-
танат бария вблизи — 90 °С, ОС и
120 °С), помимо этого, происходит ска-
скачок спонтанной поляризации (см., на-
например, рис. 6,а) и энтропии; имеет
место температурный гистерезис и вы-
выделяется скрытая теплота перехода.
В этом случае темп-pa перехода Тс
оказывается несколько выше точки
Кюри в; Тс — въ 1—2 °С.
Микроскопия, теория сегнетоэлек-
сегнетоэлектрич. явлений основывается на пред-
представлениях об особенностях сил взаи-
взаимодействия между атомами кристал-
лич. решётки. Предполагается, что
спонтанная поляризация может воз-
возникать двумя путями. Во-первых,
в результате смещения нек-рых ионов
решётки из положения равновесия,
совпадающего с центром симметрии
элементарной решётки (напр., иона
Ti+4 и ВаТЮ3), из-за относительно
слабых возвращающих сил и «помощи»
образующегося при этом смещении
внутреннего поля, обусловленного по-
поляризацией соседних атомов. Такие
кристаллы наз. сегнетоэлектриками
типа «смещения». Во-вторых, как ре-
результат упорядочения уже сущест-
существующих в кристалле дипольных групп,
имеющих несколько возможных поло-
положений равновесия, соответствующих
различным ориентациям диполей,
как это имеет место в ряде водород-
содержащих сегнетоэлектриков (напр.,
в КН2РО4). Такие кристаллы наз.
сегнетоэлектриками типа «порядок —
беспорядок». В нек-рых кристаллах
особенности сил взаимодействия та-
таковы, что ионы одного сорта смещают-
смещаются не параллельно друг другу, как
в сегнетоэлектриках, а антипараллель-
но, т. е. навстречу друг другу, так что
результирующий электрич. момент ра-
равен нулю. При достижении определён-
определённой темп-ры (точки перехода) это
упорядоченное распределение так же,
как и в сегнетоэлектриках, становится
хаотическим. Подобные кристаллы
(напр., PbZrO3) наз. антисегне-
тоэлектриками.
Спонтанная поляризация и сегнето-
сегнетоэлектрич. переход оказывают сущест-
существенное влияние на многие свойства
сегнетоэлектриков: диэлектрич., меха-
нич., пьезоэлектрич., тепловые, ои-
тич., полупроводниковые, акустич.
и др. Большинство этих свойств на-
находит широкое применение в ряде
областей физики и техники: в электро-
электроакустике, конденсаторной технике, вы-
вычислительной технике, нелинейной
оптике, лазерной технике, акусто-
электропике и др.
Лит.: Иона Ф., III и ране Д., Сег-
нетоэлектрические кристаллы, М., 1965;
Шелудев И. С, Физика кристалличе-
кристаллических диэлектриков, М., 1969; Смолен-
Смоленский Г. А. и др., Сегнетоэлектрики и
антисегнетоэлектрики, Л., 1971; Сонин
А. С, С т р у к о в Б. А., Введение в сег-
нетоэлектричество, М., 1970; Влинц Р.,
Ж е к ш Б., Сегнетоэлектрики и антисег-
антисегнетоэлектрики. Динамика решётки, пер.
с англ., М., 1975. Р. Е. Пасынков.
СИГНАЛИЗАТОРЫ УРОВНЯ
ультразвуковые — приборы
для сигнализации или выдачи инфор-
информации (напр., в цепь автоматического
регулирования) о наличии жидкости
или сыпучего материала на заданном
уровне. Работа УЗ-вых С. у. основана
на существенной разнице акустич.
характеристик этих сред и газов (воз-
(воздуха). В С. у. жидкости может быть
использовано либо различие в вели-
величине импеданса акустического датчи-
датчика — электроакустического преобра-
преобразователя — при нагрузке его газом
и жидкостью, либо же различие пара-
параметров УЗ-вого сигнала, прошедшего
электроакустич. тракт генератор —
излучающий преобразователь — кон-
контролируемая среда — приёмный пре-
преобразователь — усилитель, в зависи-
320
СИГНАЛИЗАТОРЫ УРОВНЯ
мости от вида среды. Этот же прин-
принцип используется в С. у. сыпучих
тел.
УЗ-вые импедансные С. у. могут
реагировать на различие вязкости,
плотности или волнового сопротивле-
сопротивления жидкостей и газов. Так, в С. у.,
основанном на срыве возбуждения ге-
генератора УЗ-вых колебаний при кон-
контакте датчика с жидкостью (рис. 1),
датчиком является пьезоэлектриче-
пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из
двух (или одной) пьезокерамич. пла-
пластин 2 и двух частотно-понижающих
накладок 3. Нижняя накладка кон-
контактирует с контролируемой средой
1; пьезопластины включены в цепь
положительной обратной связи уси-
усилительного элемента генератора 5.
Если вибратор контактирует с га-
газом, то в схеме обеспечиваются
условия для возникновения генера-
генерации и на выходе индикаторного
устройства 6 появляется напряжение,
сигнализирующее об отсутствии жид-
жидкости в зоне датчика. Когда же датчик
касается жидкости, сопротивление из-
излучения преобразователя заметно уве-
увеличивается, добротность его падает
и условия для возникновения гене-
генерации уже не соблюдаются — отсут-
отсутствие высокочастотного напряжения
свидетельствует о наличии жидкости.
Рис. 1. Блок-схема ультразвукового им-
педансного сигнализатора уровня: 1 —
контролируемая жидкость; 2 — пьезо-
пьезопластины; з — частотно-понижающие на-
накладки; 4 — корпус вибратора; 5 — ге-
генератор; 6 — индикаторное устройство.
УЗ-вые С. у., действие к-рых осно-
основано на изменении параметров про-
прошедшего контролируемую среду сиг-
сигнала, могут быть условно разделены
на две группы. К первой относятся
схемы с положительной обратной свя-
связью в цепи электроакустич. тракта,
работающие в режиме непрерывных
колебаний (рис. 2). Датчик такого
С. у. состоит из двух преобразовате-
преобразователей — излучающего 3 и приёмного 2,
отделённых друг от друга зазором
(акустич. камерой), к-рый может за-
заполняться либо жидкостью, либо га-
газом. Когда камера заполняется жид-
жидкостью, излучающий и приёмный
преобразователи оказываются акусти-
акустически связанными между собой, ес-
если же камера заполнена газом, то
эта связь существенно уменьшается,
причём степень её уменьшения опре-
определяется разницей волновых сопро-
сопротивлений жидкости и газа. Излуча-
Рис. 2. Блок-схема ультразвукового сиг-
сигнализатора уровня с положительной об-
обратной связью в электроакустическом
тракте: 1 — контролируемая жидкость;
2 — приёмный преобразователь; 3 — из-
излучающий преобразователь; 4 — корпус
датчика; 5 — полосовой усилитель; б —
индикаторное устройство.
ющий преобразователь датчика под-
подключается на выход полосового уси-
усилителя 5, а приёмный — на его вход.
Полоса пропускания усилителя и его
коэфф. усиления выбираются такими,
чтобы при заполнении акустич. ка-
камеры жидкостью соблюдались усло-
условия для возбуждения колебаний, а при
заполнении камеры газом генерация
в схеме не возникала. Индикатор 6
выдаёт сигнал о нахождении жидко-
жидкости в акустич. камере.
В другой группе приборов (рис. 3)
используется импульсный режим воз-
возбуждения. Генератор импульсов 5 воз-
возбуждает излучающий преобразова-
преобразователь 2 датчика. При наличии в камере
датчика жидкости акустич. импульсы
распространяются с незначительным
ослаблением, и принятый преобразова-
преобразователем 3 импульс поступает на вход
усилителя 6 спустя промежуток вре-
времени, определяемый скоростью УЗ
в жидкости и расстоянием между
преобразователями. В это же время
при помощи генератора задержки 7
открывается ключевое устройство 8
и на индикатор 9 поступает сигнал
о наличии жидкости. При заполне-
заполнении камеры газом принятый сигнал
имеет существенно меньшую ампли-
СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ
321
ТУДУ и ДРУгое время прихода. В это
время ключевое устройство закрыто,
и на индикатор не поступает никаких
сигналов. Такая схема С. у. обеспе-
обеспечивает наиболее надёжное получение
информации о наличии жидкости на
заданном уровне, поскольку обладает
возможностью разделения сигналов
во времени.
УЗ-вые С. у. могут применяться
для контроля разнообразных жидко-
жидкостей — как электропроводных, так и
неэлектропроводных — в широком ин-
интервале темп-р (от 4 до 600 К) и избы-
избыточных давлений (до 1000 ати). Абсо-
Абсолютная точность индикации уровня
5
\
е
T HI
7
8
9
Рис. 3. Блок-схема ультразвукового им-
импульсного сигнализатора уровня: 1 —
контролируемая жидкость; 2 — излучаю-
излучающий преобразователь; 3 — приёмный пре-
преобразователь; 4 — корпус датчика; 5 —
генератор импульсов; 6 — усилитель; 7 —
генератор задержанных импульсов; 8 —
ключевое устройство; д — индикаторное
устройство.
зависит от взаимного расположения
плоскостей пьезопреобразователей и
поверхности контролируемого уровня
и может достигать десятых долей мм.
Отсутствие к.-л. движущихся элемен-
элементов в датчике УЗ-вого С. у., а также
простота электронной схемы при весь-
весьма малом числе радиокомпонентов
обеспечивают высокую надёжность ап-
аппаратуры. Возможность полной гер-
герметизации полости датчика от контро-
контролируемой среды, малые уровни под-
подводимых к датчику токов и напря-
напряжений позволяют эксплуатировать
аппаратуру при любой категории
взрывоопасности. Высокая надёжность
УЗ-вых С. у. обеспечивается лишь
в условиях, исключающих возмож-
возможность обильного выделения свобод-
свободного газа и осаждения его в виде мел-
мелких пузырьков на активных поверх-
поверхностях датчика при нахождении его
в жидкости. УЗ-вые С. у. применя-
применяются в отраслях промышленности,
связанных с производством, хране-
хранением и транспортировкой токсичных,
взрывоопасных, агрессивных и крио-
криогенных жидкостей.
Лит.: Вабиков О. И., Контроль
уровня с помощью ультразвука, Л., 1971;
Агейкин Д. И., Костина Е. Н.,
Кузнецова Н. Н., Датчики контроля
и регулирования. Справочные материалы,
2 изд., М., 1965.
Б. Е. Михалёв, А. С. Химунин.
СИЛА ЗВУКА — то же, что интен-
интенсивность звука.
СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ —
свойство кристаллов совмещаться с са-
самим собой путём нек-рых преобразо-
преобразований, наз. операциями симметрии:
отражения, вращения, параллельных
переносов (либо комбинации этих опе-
операций). Симметрич. преобразования
можно разделить на два типа: конеч-
конечные, или точечные, при к-рых хотя бы
одна точка фигуры остаётся на месте,
и бесконечные, или пространственные,
при к-рых не остаётся на месте ни одна
точка фигуры. Конечные симметрич.
преобразования соответствуют сим-
симметрии идеальных кристаллич. много-
многогранников, бесконечные — симметрии
структур.
Операциями точечной симметрии
являются: отражение в плоскости
симметрии (зеркальное отражение) га,
повороты вокруг оси симметрии по-
порядка п на угол, равный 360°/гс, ин-
инверсия 1 (симметрия относительно
точки), инверсионные повороты п (ком-
(комбинация поворота на 360°/п с одно-
одновременной инверсией). При описании
С. к. обычно пользуются не опера-
операциями симметрии, а элементами сим-
симметрии. Понятие «элемент симмет-
симметрии» является более широким, чем
понятие «операция симметрии»: каж-
каждый элемент симметрии является
нек-рой совокупностью операций сим-
симметрии. Так, под осью симметрии
понимается совокупность операций,
включающих повороты на 90, 180,
270, 360° (операция отождествления).
С. к. исчерпывающе описывается сле-
следующим набором элементов симмет-
симметрии: т, 1, 2, 3, 4, 6, Ji, 4, 6 (в учебной
символике они обозначаются соответ-
соответственно как Р, С, L,, L3, Li, Le L^,
l:, l-).
Возможные сочетания симметрич.
операций кристаллич. многогранни-
многогранников образуют 32 точечные группы, или
32 класса С. к., к-рые группируются
в соответствии с наличием в них ха-
характерных элементов симметрии в
семь сингоний (см. табл.) и три ка-
322
СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ
Обоз
Сингония
Триклин-
ная
Моно-
клин-
клинная
Ромбиче-
Ромбическая
Тетраго-
Тетрагональная
Триго-
нальная
Гексаго-
Гексагональная
Кубиче-
Кубическая
н а ч е н и я
с и м м е
32 классов
T p и и
Обозначения
ежду-
арод-
ое
S В К
1
1
2
m
2/m
222
тт2
ттт
4
4/т
422
ктт
i/mmm
4
12т
3
3
32
Зт
Зт
6
6/т
622
6 mm
6 /ттт
6
6т2
23
тЗ
432
43т
тЗт
1|
с,
d
Сг
Cs
Г>2
c2v
Dlh
C4
Cih
civ
St
D2d
c3
C3i
D3
C31)
D3d
c.
D.
Crt
C3h
D3h
T
Th
0
Td
0h
формула
симметрии
и
С
ь2
р
ЬгРС
ЗЬа
Ь22Р
3L23PC
?4
L4PC
L^iL2
LAP
LAL2bPC
4 ^
L3
L3C
L33P
L33L23PC
L.
L,PC
L9QL2
b,6P
Z.e6L27PC
L3P
L33L2iP
4L33L2
4L33L23PC
3L44b36b2
3L4-4L,6P
3b44b36L29PC
Шуб-
;ову
^ ь
о s
a S
1
2
2
m
2:m
2:2
2-m
m-2:m
4
4:m
4:2
k-m
m- 4:m
4
1-m
3
6
3:2
3-m
6-m
6
6:m
6:2
6-m
m- 6 :m
3:m
m- 3:m
3/2
6/2
3/4
3/4
6/4
тегории (каждая из к-рых включает:
низшая — триклинную, моноклинную
и ромбич. сингонии; средняя — гек-
гексагональную, тригональную и тетра-
тетрагональную; высшая — кубическую).
Каждый из 32 классов обозначается
специальным символом. Простейшим
из символов является формула сим-
симметрии, к-рая состоит из записанных
подряд всех элементов симметрии
кристалла. На первом месте приня-
принято писать оси симметрии L от выс-
высших к низшим, на втором — плоско-
плоскости симметрии Р, затем, центр С.
Так, напр., символ Ь^Ь25РС озна-
означает, что есть ось L4, четыре оси Ьг,
пять плоскостей симметрии и центр
симметрии; вдоль оси L4 может про-
проходить лишь четыре плоскости сим-
симметрии, следовательно, пятая из на-
наличных пяти плоскостей должна от-
отличаться по расположению от осталь-
остальных четырёх; наличие центра симмет-
симметрии показывает, что эта плоскость
перпендикулярна оси L4, а значит, и
остальным четырём плоскостям.
В международных (интер-
(интернациональных) символах клас-
классов симметрии пишутся не
все, а только основные, или т. н. по-
порождающие, элементы симметрии, а
«порождённые» элементы симметрии,
к-рые можно вывести из сочетаний
порождающих элементов, не пишутся.
В качестве порождающих элементов
симметрии предпочтение отдаётся пло-
плоскостям. В международной символике
приняты следующие обозначения: п —
ось симметрии га-го порядка; п — ин-
инверсионная ось симметрии п-то поряд-
порядка; m — плоскость симметрии; ram —
ось симметрии re-го порядка и га пло-
плоскостей симметрии, проходящих вдоль
неё; ¦—¦ или га/т — ось симметрии га-го
порядка и перпендикулярная ей пло-
плоскость симметрии; га2 — ось симмет-
симметрии га-го порядка и и осей 2-го поряд-
порядка, ей перпендикулярных; ^- m или
n/mm — ось симметрии гс-го порядка
и плоскости т, параллельные и пер-
перпендикулярная ей (п и га могут иметь
значения 1, 2, 3, 4, 6).
При пользовании международной
символикой необходимо иметь в виду
теоремы о сочетании элементов сим-
симметрии. Так, в символе пт буква т,
не отделённая чертой от га, означает,
что плоскость т проходит вдоль оси
»-го порядка, и подразумевается, что
общее число продольных плоскостей
должно быть п. Символ п/т, где т
под чертой, означает, что единственная
плоскость m перпендикулярна оси п,
и подразумевается, что если п чётное,
то, кроме оси и плоскости, имеется
ещё и центр симметрии. Символ пЪ
означает, что имеется ось 2-го порядка,
перпендикулярная оси п\ число этих
осей равно порядку оси п. Смысл
цифры или буквы, обозначающей эле-
элемент симметрии, зависит от того,
на какой позиции в символе она по-
поставлена. В международной символи-
СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ
323
ке различают «координатные» элемен-
элементы симметрии, к-рые проходят вдоль
координатных плоскостей, и «диаго-
«диагональные» — по биссектрисам углов
между ними.
В символах всех классов сродней
категории на первой позиции стоит
главная ось симметрии, на второй —
координатные элементы симметрии,
на третьей — диагональные. Напр.,
символ 4 mm означает: имеется ось
4-го порядка (ось Z), две координат-
координатные плоскости симметрии (XOZ и
YOZ) и две плоскости симметрии, про-
проходящие тоже через ось Z и через бис-
биссектрисы углов между осями X и У.
Этот символ можно записать сокра-
сокращённо: kmm = 4т.
В кристаллографич. и физич. лите-
литературе, в частности в оптике и физике
полупроводников, часто пользуются
символами Шёнфлиса, где применяют-
применяются следующие обозначения: С — одна
ось симметрии, D — ось симметрии
и оси 2-го порядка, перпендикуляр-
перпендикулярные ей. Единственная ось всегда счи-
считается вертикальной. Если осей не-
несколько, то вертикальной считается
ось высшего порядка. Индексы v, h, d
обозначают добавленные к вертикаль-
вертикальной оси плоскости симметрии: v —
вертикальные, h — горизонтальные,
d — диагональные, а индекс i — ин-
инверсионную ось симметрии; Т — на-
набор осей симметрии кубич. тетраэдра:
3Z/4 41/36Р; О — набор осей симметрии
кубич. октаэдра: 3LtbL36L29PC. Ис-
Используя эти обозначения н теоремы
о сочетании элементов симметрии, по-
получаем: Сп — одна вертикальная ось
(полярная) порядка п (полярным наз.
такое направление в кристалле, нача-
начало и конец к-рого не могут быть со-
совмещены никакими элементами симмет-
симметрии); Сп
одна вертикальная по-
полярная ось порядка п и п плоскостей,
проходящих вдоль неё; Cnh — одна
ось порядка и (неполярная) и пло-
плоскость симметрии, ей перпендикуляр-
перпендикулярная; Dn — одна вертикальная ось
порядка пил осей 2-го порядка, пер-
перпендикулярных ей; ДпЛ — одна вер-
вертикальная ось га-го порядка, га пло-
плоскостей вдоль неё и плоскость симмет-
симметрии, ей перпендикулярная; Sn — од-
одна вертикальная зеркально-цоворот-
ная ось порядка п (зеркально-пово-
(зеркально-поворотной осью наз. прямая, при пово-
повороте вокруг к-рой на элементарный
угод а=360°/ге, где п — порядок оси,
с последующим или предварительным
отражением в перпендикулярной к ней
плоскости, проходящей через центр
фигуры, она совмещается сама с со-
собой); v = Ог — сочетание трёх взаим-
взаимно перпендикулярных осей 2-го по-
порядка; vh = D2h — три взаимно пер-
перпендикулярные оси 2-го порядка и
плоскости, перпендикулярные каждой
из этих осей; yd = D2d — три взаимно
перпендикулярные оси 2-го порядка
и диагональные плоскости; Td — оси
симметрии тетраэдра и диагональные
плоскости; Th — оси симметрии тет-
тетраэдра и координатные плоскости;
Од — оси симметрии октаэдра и коор-
координатные плоскости.
По А. В. Шубникову, оси п и пло-
плоскости пг обозначаются так же, как
в международной символике. Перпен-
Перпендикулярность обозначается не чертой,
а двоеточием, параллельность — точ-
точкой. Косая черта, разделяющая два на-
наименования осей, обозначает, что эти
оси образуют между собой косой угол.
Кроме того, черта над символом оси
означает, что ось является зеркально-
поворотной осью (ось, к-рая при по-
повороте на угол а = 3607ге с последую-
последующим отражением в плоскости симмет-
симметрии приводит к совмещению фигуры),
в отличие от международного симво-
символа, где такая же черта означает ин-
инверсионную ось.
Для однозначного описания направ-
направлений и плоскостей кристаллов служат
кристаллографические
координатные оси X, Y, Z.
Для описания физич. свойств кристал-
кристаллов, а также для аналитич. представле-
представления их точечных групп симметрии
в кристаллах выбираются ортогональ-
ортогональные кристаллофизич. оси Хг, Х2, Х3.
Кристаллографич. и кристаллофизич.
координатные системы всегда выбира-
выбираются правыми, а углы между положи-
положительными направлениями соответст-
соответствующих кристаллографич. и кристал-
лофизических осей — меньшими 90°.
Положительному направлению кри-
кристаллографич. оси отвечает положи-
положительное направление соответствующей
кристаллофизич. оси. Для кубич.,
тетрагональной и ромбич. сингоний
направления осей в кристаллографич.
и кристаллофизич. системах коорди-
координат совпадают.
Для однозначного описания направ-
направлений в кристаллах пользуются с и за-
заводами*. Миллер а. Зная уста-
324
СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ
новку кристалла, можно однозначно
определить в нём любое направление,
выбрав для этого на осях координат
соответствующий масштаб. Для про-
пространственной решётки любой симмет-
симметрии в качестве масштаба выбирают
целые числа, кратные параметрам эле-
элементарной ячейки. Напр., параметры
элементарной ячейки вдоль осей X, Y,
Z соответственно равны а0, Ьа, са,
при этом за единичные отрезки можно
выбирать лю-
[111] [001]
[001]
то]
бые величи-
величины, напр.:
а = 8аа, Ъ =
8Ь0, с = 8с0.
Если коорди-
Различные кри-
сталлографиче-
сталлографические грани и
направления в
кубическом
кристалле.
паты любой точки на определённом
направлении есть х, у, z, то оно одно-
однозначно задаётся символом направле-
направления [и, v, w] (в квадратных скобках),
определяемым следующим образом:
Л : v : Л- = и : v : w.
a b с
Числа и, v, w наз. миллеровскими ин-
индексами данного кристаллографич. на-
направления. Из приведённого определе-
определения ясно, что символ оси X — [100],
оси Y — [010] и оси Z — [001] (рис.).
Направления под углом 45° к осям X и
Y — [110], под углом 45° к осям X
и Z — [101], под углом 45° к осям
У и Z — [011]. Пространственная диа-
диагональ куба имеет символ [111]. Отри-
Отрицательные значения проекций на лю-
любую координатную ось имеют отрица-
отрицательный индекс и отмечаются чертой
над соответствующим индексом; напр.,
направление [110] (читается: один,
минус один, ноль).
Миллеровские индексы кристалло-
кристаллографич. плоскостей — это целые чис-
числа, характеризующие расположение
граней и соответствующих им атомных
плоскостей относительно кристалло-
кристаллографич. осей X, Y, Z. Миллеровские
индексы связаны с длиной отрезков,
отсекаемых соответствующей плоско-
плоскостью на трёх осях кристаллографич.
системы координат. Длины отрезков,
отсекаемых любой атомной плоскостью
кристалла на координатных осях, вы-
выраженные в постоянных решётки,
всегда являются целыми числами
р1, р2, р3. Если обратные им величины
привести к общему знаменателю и за-
затем отбросить его, то полученные
три целых числа h = ргрз, к = />1Рз>
1 = р\Ръ и есть миллеровские индексы
грани (плоскости). Они записываются
в круглых скобках — (hkl) и наз.
миллеровским символом грани (пло-
(плоскости). Отрицательные миллеровские
индексы обозначают плоскости, пере-
пересекающиеся с отрицательным направ-
направлением осей координат. Координатные
плоскости характеризуются символа-
символами A00) = YOZ, @10) — ZOX, @01) —
XOY (рис.). Плоскости, отсекающие
одинаковые отрезки на всех трёх
осях,— это плоскости A11), индексы
A10) определяют плоскость, к-рая
параллельна оси Z и отсекает равные
отрезки на осях X и Y.
Лит.: Шаскольская М. П., Кри-
Кристаллография, М., 1976; Н а й Д., Физиче-
Физические свойства кристаллов, пер. с англ.,
2 изд., м., 1967; Переломова Н. В.,
ТагиеваМ. М., Задачник по кристалло-
кристаллофизике, М., 1972. Я. В. Переломова.
СИРЕНЫ — устройства для созда-
создания мощных акустич. колебаний, дей-
действие к-рых основано на периодич. пре-
прерывании струй, вытекающих с боль-
большой скоростью через отверстия. По
типу рабочего тела С. делятся на газо-
газовые (воздушные) и жидкостные, наз.
также ротационными гидродинамиче-
гидродинамическими излучателями, а по принципу
работы —• на динамич. (вращающиеся)
и пульсирующие. В динамич. С. пре-
прерывание струй осуществляется вра-
вращающимся ротором с отверстиями или
зубцами; ротор вращается с помощью
электромотора или воздушной турби-
турбины. В пульсирующих С. перекрытие
потока производится заслонкой, со-
совершающей возвратно-поступательное
движение при помощи электромагнит-
электромагнитного или электродинамич. преобразо-
преобразователя (электропневматические С);
иногда при этом используются резо-
резонансные колебания (напр., крутиль-
крутильные) системы подвески ротора.
Наибольшее распространение полу-
получили С. динамич. типа с электропри-
электроприводом. Конструктивно они подразде-
подразделяются на осевые (рис. а) и радиаль-
радиальные (рис. б). В первых ротор 1 и ста-
статор 2 выполнены в виде дисков с отвер-
отверстиями, а направление воздушного
потока совпадает с осью вращения ро-
ротора; вторые имеют ротор и статор
СИРЕНЫ
325
в виде коаксиальных цилиндров (или
конусов), а направление газовой струи
у них составляет нек-рый угол (обыч-
(обычно 90°) с осью вращения. Давление
в камере колеблется для С. обычных
типов от 0,1 до 5 кгс/см2. Частота
Схемы осевой (о) и радиальной (б)
сирен: 1 — ротор; 2 — статор; 3 —
электродвигатель; 4 — рупор; S и
7 — камера высокого давления;
в — рефлектор. Направление потока
указано стрелками.
пульсаций /, создаваемых С, опреде-
определяется числом отверстий N в роторе
(или статоре) и числом оборотов ро-
ротора п в 1 с, т. е. / = nN Гц. Эта часто-
частота соответствует основной частоте из-
излучаемого звука. Как правило, верх-
верхний предел её не превосходит 40—
50 кГц, однако известны С. с частотами
до 500 кГц; нижний предел обычно ра-
равен 200—300 Гц. Т. к. источником
излучаемого С. звука являются им-
импульсы скорости газа, вытекающего
из отверстий, частотный спектр С. оп-
определяется формой этих импульсов.
Для получения синусоидальных коле-
колебаний используют С. с круглыми от-
отверстиями, расстояния 6 между к-рыми
равны их диаметру d. Кпд таких С.
не превышает 50%. При отверстиях
прямоугольной формы, отстоящих
друг от друга на ширину отверстия,
форма импульса треугольная и наря-
наряду с основной частотой / излучается
ряд высших гармоник. В промышлен-
промышленных С. обычно стремятся получить
максимальный кпд, отвечающий тра-
трапецеидальной форме импульса, макси-
максимально приближающегося к П-об-
разной; с этой целью отверстия в ро-
роторе и статоре выполняют разной ши-
ширины. Теоретически кпд таких С.
на основной частоте достигает 80%.
При необходимости излучения звука
с широким спектром отверстия распо-
располагают по ротору неравномерно и де-
делают их разных размеров. В случав
применения нескольких таких рото-
роторов, вращающихся с разными угловы-
угловыми скоростями, удаётся получить сиг-
сигнал, приближающийся к шумовому.
Кпд реальных С, работающих при
докритич. перепадах давления,
достигает 50—60%.
Акустич. мощность С. опре-
определяется давлением в камере
и расходом сжатого газа и
для различных конструкций
колеблется в пределах от со-
сотен Вт до десятков кВт. Для
систем, у к-рых диаметр ро-
ротора значительно превосходит
длину излучаемой волны Я, а
к <С Ъ, мощность звука, излу-
излучаемая С. на основной часто-
частоте, равна:
W -
16c
jipcNd2
при
при А < d,
где р — плотность газа, с — скорость
звука в газе, v — максимальная ско-
скорость газа в отверстиях. С, работаю-
работающие при сверхкритич. давлениях, вы-
выполняются с отверстиями, имеющими
профиль сопла Лаваля. Они характе-
характеризуются повышенными мощностями
при несколько сниженном кпд. Кро-
Кроме указанных факторов, на мощность
и кпд С. влияют их конструктив-
конструктивное оформление и особенно величи-
величина зазора между ротором и стато-
статором, в лучших образцах не превосхо-
превосходящая 0,02—0,05 мм. Т. к. в радиаль-
радиальных С. такие зазоры трудно достижи-
достижимы, они менее эффективны, чем осевые.
Конструктивно осевые С. различают-
различаются гл. обр. системой установки ротора
и устройством, обеспечивающим под-
поддержание требуемого зазора между
ротором и статором в процессе работы.
В изготовлении и эксплуатации С.
более сложны, чем свистки, однако
они обладают рядом важных досто-
достоинств: более высоким кпд, большей
мощностью и возможностью плавной
регулировки частоты в пределах не-
нескольких октав путём изменения ско-
скорости вращения ротора. Как правило,
мощные С. имеют независимое пита-
питание сжатым воздухом, но в нек-рых
конструкциях С. предусмотрен собст-
собственный турбокомпрессор.
Как акустич. излучатель (см. Излу-
Излучение звука) С. представляет собой ди-
326
СКОРОСТЬ ЗВУКА
поль, создающий две волны, сдвину-
сдвинутые по фазе на 180° и распространяю-
распространяющиеся в противоположных направле-
направлениях: одна в направлении истечения
газа, а другая навстречу ему. На этом
явлении основаны С. «обратного дейст-
действия», создающие звуковое поле в ка-
камерах высокого давления; в этом слу-
случае используется волна, излучающая
навстречу потоку. Наличием обрат-
обратной волны объясняются резонансные
свойства С, т. е. существование обла-
областей частот, где излучаемая мощность
имеет максимум. Большинство С. ра-
работает с выбросом отработанного газа
в озвучиваемое пространство, однако
существуют конструкции, в к-рых из-
излучение не сопровождается выбросом
газа. Для лучшего согласования со
средой и получения нужной направ-
направленности излучения С. снабжаются
рупорами и рефлекторами.
Воздушные С. как наиболее мощные
излучатели в диапазоне высоких зву-
звуковых и УЗ-вых частот применяются
для исследования материалов и конст-
конструкций на усталость, для шумовых
испытаний электронного оборудова-
оборудования и в целом ряде технологич. про-
процессов: при акустич. коагуляции мел-
мелкодисперсных аэрозолей, для воздей-
воздействия на процессы тепломассообмена'
в ультразвуковом поле и др. Широ-
Широко известно применение С. для тре-
тревожной или оповестительной сигна-
сигнализации.
Жидкостные С. выполняются обыч-
обычно радиальными, с несколькими коак-
коаксиальными роторами, вращающимися
между нескольких рядов коаксиаль-
коаксиальных статоров; иногда статор вообще
отсутствует, а два ротора, входящие
друг в друга, вращаются в разные
стороны. В таких С. отверстия имеют
вид продольных щелей, располагаемых
по образующей цилиндра. Жидкост-
Жидкостные С. применяются в реакторах для
эмульгирования, диспергирования и
ускорения процессов перемешивания.
Производительность таких С. дости-
достигает 20—25 м3/ч.
Лит.: Кроуфорд А. Э., Ультразву-
Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958;
БергманЛ., Ультразвук и его примене-
применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд.,
М., 1957; Карновский М. И., «Изв.
ВУЗов, сер. Радиотехника», 1958, № 1,
с. 64—67; Веллер В. А., Степанов
Б. И., «Акуст. ж.», 1963, т. 9, № 3, с. 291 —
295. Ю. П. Борисов.
СКОРОСТЬ ЗВУКА — скорость пе-
перемещения в среде упругой волны при
условии, что форма её профиля оста-
остаётся неизменной. Напр., для плоской
волны, бегущей без изменения формы
со скоростью с в направлении оси х,
звуковое давление можно записать
в виде: р = р(х — ct), где t — вре-
время, а функция р даёт форму про-
профиля волны. Для гармонич. волны
р = Acos(wt — kx -f- ф) С. з. выража-
выражается через частоту w и волновое число
к ф-лой с = ы/к. Скорость гармонич.
волн наз. также фазовой скоростью
звука. В средах, в к-рых форма волн
произвольной формы меняется при
распространении, гармонич. волны тем
не менее сохраняют свою форму, но
фазовая скорость оказывается раз-
различной для разных частот, т. е. имеет
место дисперсия скорости звука. В этих
случаях пользуются также понятием
групповой скорости. При больших ам-
амплитудах упругой волны появляются
нелинейные эффекты, приводящие к
изменению формы любых волн, в т. ч.
гармонических, так что понятие С. з.
теряет определённость. В этом случае
скорость распространения каждой точ-
точки профиля волны зависит от амплиту-
амплитуды давления в этой точке. Эта ско-
скорость растёт с ростом давления в дан-
данной точке профиля, что приводит к ис-
искажению формы волны.
Скорость звука в газах и жидко-
жидкостях. В газах и жидкостях звук рас-
распространяется в виде объёмных волн
разрежения — сжатия, причём про-
процесс происходит обычно адиабатиче-
адиабатически, т. е. изменение темп-ры в зву-
звуковой волне не успевает выравни-
выравниваться, т. к. за У2 периода тепло
из нагретых (сжатых) участков не успе-
успевает перейти к холодным (разрежен-
(разреженным). Адиабатич
. С. з. с = 1/ (—]
где Р — давление в веществе, р —
плотность вещества, а буква S пока-
показывает, что производная берётся при
постоянной энтропии. Выражение для
С. з. может быть записано также в од-
одной из следующих форм:
с - У р — У РадР — У ризР •
где Хад — адиабатич. модуль всесторон-
него сжатия, Eад = — = - [—)g-
адиабатич. сжимаемость, риз = уРад —'
изотермич. сжимаемость, у = Ср/Су—
отношение теплоёмкостей при постоян-
СКОРОСТЬ ЗВУКА
327
ном давлении
объёме Су.
и при постоянном
В идеальном газе С. з. с = 1/ у — =
' ' р
= ]/Ау— , где R = 8,31 Дж/моль-К —
универсальная газовая постоянная,
Т — абсолютная темп-pa в Кельви-
Кельвинах, |я — молекулярный вес газа. Это
т. н. «лапласова» С. з. В газе она сов-
совпадает по порядку величины со сред-
средней тепловой скоростью движения
молекул. Величину с'= Ур]р наз.
«ньютоновой» С. з., она давала бы
С. з. при бесконечной теплопроводно-
теплопроводности, при к-рой сжатия и разрежения
происходили бы изотермически. В дей-
действительных средах имеет место ла-
лапласова С. з.
С. з. в газах меньше, чем в жидко-
жидкостях, а в жидкостях, как правило,
меньше, чем в твёрдых телах. В табл. 1
и 2 приведены значения • С. з. для
нек-рых газов и жидкостей, причём
в тех случаях, когда имеется диспер-
дисперсия, приведены значения С. з. для
частот, меньших, чем частота релак-
релаксации.
Табл. 1. — с к о-
рость звука
в газах п р и О °С
Газ
с, м/с
Азот . .
Кислород
Воздух.
Гелий .
Водород
Неон . .
Метан .
Аммиак
Углекислый
газ
Йодистый во-
водород . . .
Табл. 2. — Ско-
Скорость звука
в жидкостях
при 20 °С
Жидкость с, м/с
334
316
331
965
1284
435
430
415
259
157
Вода ....
Ацетон . . .
Бензол . . .
Спирт этило-
этиловый . . .
Толуол . .
Четырёххло-
ристый уг-
углерод , .
Ртуть . . .
Глицерин .
1490
1190
1324
1180
1324
920
1453
1923
С. з. в идеальных газах при задан-
заданной температуре не зависит от дав-
давления и растёт с ростом температуры
как Ут~. Изменение С. з., отнесённое
к одному градусу, равно Ac/AT =
= с/2 Т. При комнатной температуре
относительное изменение С. з. в воз-
воздухе при изменении темп-ры на 1 гра-
градус составляет примерно 0,17%.
В жидкостях С. з., как правило,
уменьшается с ростом темп-ры, и из-
изменение тешг-ры на один градус со-
составляет, напр., —5,5 м/с-град для
ацетона и —3,6 м/с град для этилового
спирта. Исключением из этого прави-
правила является вода, в к-рой С. з. при
комнатной темп-ре увеличивается с
ростом темп-ры на 2,5 м/с-град, дости-
достигает максимума при темп-ре ~74 °С
и с дальнейшим ростом темп-ры умень-
уменьшается. С. з. в воде растёт с увеличе-
увеличением давления примерно на 0,01% на
1 атмосферу; кроме того, С. з. в воде
растёт с увеличением содержания
растворённых в ней солей. В морской
воде С. з. зависит от темп-ры, солёно-
солёности и глубины. Эти зависимости имеют
сложный вид. Для расчёта С. з. в мор-
морской воде используются таблицы, рас-
рассчитанные по эмпирич. ф-лам. По-
Поскольку темп-pa, давление, а иногда
и солёность меняются по глубине,
то звуковые лучи, распространяющие-
распространяющиеся в море, испытывают рефракцию и
искривляются, что определяет, в част-
частности, такое явление, как подводный
звуковой канал.
В сжиженных газах С. з. больше,
чем в газе при три же темп-ре. Так,
например, в газообразном азоте при
темп-ре —195 °С С. з. равна 176 м/с,
а в жидком при той же температуре —
859 м/с; в газообразном и жидком
гелии при —269 °С она равна соот-
соответственно 102 м/с и 198 м/с.
С. з. в смесях газов или жидкостей
зависит от концентрации компонент
смеси. В газовых смесях С. з. хоро-
хорошо описывается ф-лой с = ~\/yRT/\i,
в к-рой взят молекулярный вес смеси,
определённый молекулярными весами
компонент с учётом их концентраций.
В жидких смесях зависимость С. з.
от концентрации компонент имеет до-
довольно сложный характер, к-рый свя-
связан с видом межмолекулярных взаи-
взаимодействий. Так, напр., в спирто-
водных и кислотно-водных смесях
при нек-рой концентрации имеется
максимум С. з., а в таких смесях, как
ацетон с сероуглеродом, бензол с че-
тырёххлористым углеродом и др., при
нек-рой концентрации С. з. имеет
минимум. В водных растворах солей
С. з. растёт с ростом концентрации во
всём интервале концентраций. Т. о.,
измерения С. з. могут служить для
определения и контроля концентра-
концентрации компонент смесей и растворов.
В жидком гелии С. з. увеличивается
при понижении темп-ры. При фазовом
переходе в сверхтекучее состояние име-
имеется излом на кривой зависимости С. з.
от темп-ры; кривые подходят к точке
перехода с наклоном разного знака.
328
СКОРОСТЬ ЗВУКА
Скорость звука в твёрдых телах.
С. з. в изотропных твёрдых телах
определяется модулями упругости ве-
вещества. В неограниченной твёрдой
среде распространяются продольные
и сдвиговые (поперечные) упругие
волны, причём фазовая С. з. для про-
продольной волны равна
cl =
E A - о)
K+V>G
p(l + c)(l-2c)
а для сдвиговой
ct =
2p(l+<J)
где E — модуль Юнга, G — модуль
сдвига, а— коэфф. Пуассона, К — мо-
модуль объёмного сжатия. Скорость рас-
распространения продольных волн всегда
больше, чем скорость сдвиговых волн,
а именно выполняется соотношение
cl > ctVY. Значения продольной и по-
поперечной С. з. для нек-рых твёрдых
тел приведены в табл. 3.
Табл. 3. — Скорость звука в
некоторых твёрдых веществах
Материал
Кварц плавленый . .
Бетон
Плексиглас ., . „ „ .
Полистирол . . , „ .
Стекло пирекс . . .,
Стекло крон
Стекло флинт
Тефлон
Эбонит
Железо
Золото
Магний * ...
Платина ....„»,
Свинец ,,.•••»»
Цинк .,„..»».»»
Никель ... .»,*.,.»
Серебро .....»»
Углеродистые стали
Нержавеющая сталь
IX18H9T ... . ., ». .
Титан ВТ-1 .
Медь М2 .
Латунь Л59
Алюминиевый сплав
АМГ
С|, М/С
5970
4200-
5300
2670-
2680
2350 —
2380
5640
5100—
6120
3760 —
4800
1340
2405
5835-
5950
3200-
3240
5765
3260-
3960
1960-
2400
4170-
4210
5630
3650 —
3700
4600
6320
С(, М/С
3762
1100 —
1121
Н20
3280
2840 —
3550
2380 —
2560
—
—
3180-
3240
1200
3065
1670-
1730
700-
790
2440
2960
1600 —
1690
2080
3190
сст, м/с
5760
1840-
2140
1860 —
2240
5170
4540 —
5300
3490 —
4550
5000—
5200
2030
4600-
4970
2690 —
2800
1200-
1320
3700 —
3850
4785 —
4973
2610-
2800
5099 —
5177
5039
5072
3842
3450
5200
В монокристаллич. твёрдых телах
С. з. зависит от направления распро-
распространения волны в кристалле (см.
Распространение ультразвука в кри-
кристаллах). В тех направлениях, в к-рых
возможно распространение чистых
продольных и чистых поперечных волн,
в общем случае имеется одно значе-
значение с; и два ct. Если значения с( раз-
различны, то соответствующие волны
иногда наз. быстрой и медленной по-
поперечными волнами. В общем случае
для каждого направления распростра-
распространения волны в кристалле могут суще-
существовать три волны с разными скоро-
скоростями распространения, к-рые опре-
определяются соответствующими комбина-
комбинациями модулей упругости, причём
векторы колебательного смещения ча-
частиц в этих трёх волнах взаимно пер-
перпендикулярны. В табл. 4 приведены
значения С. з. для нек-рых кристал-
кристаллов в характерных направлениях.
Во многих веществах С. з. зависит
от наличия посторонних примесей.
В полупроводниках и диэлектриках
С. з. чувствительна к концентрации
примесей. Так, при легировании полу-
полупроводника примесью, увеличивающей
число носителей тока, С. з. уменьша-
уменьшается с увеличением концентрации;
С. з. в полупроводниках слабо воз-
возрастает при уменьшении темн-ры.
В металлах и сплавах С. з. сущест-
существенно зависит от обработки, к-рой
был подвергнут металл: прокат, ков-
ковка, отжиг и т. п. Частично это явление
связано с дислокациями, наличие
к-рых также влияет на С. з. (в табл.
3 даны наибольшие и наименьшие зна-
значения по данным литературы). В ме-
металлах, как правило, С. з. уменьшает-
уменьшается с ростом темп-ры. При переходе
металла в сверхпроводящее состояние
этот характер зависимости меняется:
в точке перехода изменяется знак
величины дс/дТ. В сильных магнит-
магнитных полях проявляются нек-рые тон-
тонкие эффекты в зависимости С. з. от
магнитного поля, к-рые отражают
особенности поведения электронов
в монокристалле металла. Так, при
распространении звука по нек-рым
направлениям в кристалле появляют-
появляются осцилляции С. з. как функции маг-
магнитного поля. Измерения зависимо-
зависимости С. з. от магнитного поля явля-
являются чувствительным методом иссле-
исследования внутренней структуры ме-
металлов.
СКОРОСТЬ ЗВУКА
Табл. 4. — Скорость звука
в некоторых монокристаллах
Кристалл
Кварц (SiOi) . .
Рубин (А12О3), .
Ниобат лития
(LiNbO,) . . .
Сульфид кадмия
(CMS) .....
Железоиттрие-
вый гранат
(YsFesO12) . . .
Алюмо магниевая
шпинель
(MgAl2O4) . . .
Направ-
Направление рас-
простра-
пространения
вдоль оси
Z
)>
вдоль оси
X
»
»
вдоль оси
с
»
вдоль оси
с
»
вдоль оси
с
»
вдоль оси
X
вдоль оси
[100]
»
вдоль оси
[111]
»
Тип
волны
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
продоль-
продольная
попереч-
поперечная бы-
быстрая
попереч-
поперечная мед-
медленная
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
попереч-
поперечная
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
продоль-
продольная
попереч-
поперечная
с, м/с
6330
4620
5600
5050
3500
11240
7800
7330
3580
4500
1860
3840
8830
6540
10600
5100
В пьезоэлектриках и сегнетоэлек-
триках С. з. определяется не только
модулями упругости, но и пьезомоду-
лем и проводимостью вещества: на-
наличие электромеханич. связи делает
вещество менее жёстким и, следова-
следовательно, уменьшает его С. з.
Аналогичное явление наблюдается
в магнитострикционных материалах.
Наличие магнитоупругой связи при-
приводит для них, кроме того, к появле-
появлению заметной зависимости С. з. от
напряжённости магнитного поля, обу-
обусловленной т. н. дельта Е-эффектом,
т. е. зависимостью модуля Юнга от
величины поля. Эти изменения С. з.
могут быть порядка нескольких про-
процентов (иногда до десятков процен-
процентов). В сегнетоэлектриках имеется
аналогичная зависимость С. з. от на-
напряжённости электрич. поля.
32Э1
При действии на твёрдое тело ста-
тич. механич. напряжений С. з. за-
зависит от величины этих напряжений,,
что является следствием отклонения1
от линейного закона Гука.
В ограниченных твёрдых толах,,
кроме продольной и поперечной волн,,
имеются и другие типы волн. Так,,
вдоль свободной поверхности твёр-
твёрдого тела или вдоль границы его
с другой средой распространяется спе-
цифич. вид волн — поверхностные-
волны, скорость к-рых меньше, чем
все остальные С. з. для данного твёр-
твёрдого тела. В пластинах, стержнях
и других твёрдых акустич. волново-
волноводах распространяются нормальные-
волны, скорость к-рых определяется
не только упругими характеристиками
вещества, но и геометрией тела. Так,,
напр., С. з. для продольной волны
в стержне, поперечные размеры к-рого
много меньше длины волны, равна:
сст = У~Щр- В табл. 3 приведены зна-
значения С. з. в тонком стержне для не-
некоторых материалов.
Методы измерения С. з. можно под-
подразделить на резонансные методы,
метод интерферометра, импульсные
методы, оптич. методы (см. Дифрак-
Дифракция света на ультразвуке). Наиболь-
Наибольшую точность измерения можно полу-
получить, используя импульсно-фазовые
методы. Оптич. методы дают возмож-
возможность измерять скорость на гипорзву-
ковых частотах, вплоть до 1011—
1012 Гц. Точность измерения С. з.
зависит от того, надо ли получить аб-
абсолютные значения С. з. (как, напр.,
при определении модулей упругости
твёрдого тела), или же можно ограни-
ограничиваться относительными измерения-
измерениями С. з. при изменении к.-л. внешних
параметров, напр, в зависимости от
темп-ры или магнитного поля или же
в зависимости от наличия примесей
и дефектов. Точность абсолютных из-
измерений на лучшей аппаратуре со-
составляет около 10~3 %, тогда как точ-
точность относительных измерений до-
достигает величины порядка 10~5 %.
Измерения С. з. используют для
определения многих свойств вещества,
таких, как величина отношения тепло-
ёмкостей для газов, сжимаемости га-
газов и жидкостей, модулей упругости
твёрдых тел, дебаевской темп-ры и
др. (см. Молекулярная акустика). Из-
Измерение малых изменений С. з. явля-
является чувствительным методом опреде-
330
СОБСТВЕННАЯ ЧАСТОТА
ления наличия примесей в газах и
жидкостях. В твёрдых телах измере-
измерения С. з. и её зависимости от раз-
разных факторов позволяют исследовать
строение вещества: зонную структуру
полупроводников, строение поверх-
поверхностей Ферми в металлах и пр. Ряд
контрольно-измерительных примене-
применений ультразвука в технике основан
на измерениях С. з.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц
Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд.,
М., 1953; Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957: Михайлов И. Г.,
Соловьев В. А., Сырников Ю. П.,
Основы молекулярной акустики, М., 1964;
Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б.,
Ультразвуковые методы в физике твердого
тела, пер. с англ., М., 1972; Исакович
М. А., Общая акустика, М., 1973; Физи-
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер.
с англ., т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 4; т. 4, ч.
Б, 1970, гл. 7; Таблицы для расчета скоро-
скорости звука в морской воде, М., 1965; К о-
десников А. Е., Ультразвуковые из-
измерения, М., 1970. А. Л. Полякова.
СОБСТВЕННАЯ ЧАСТОТА (н о р-
мальная частота) — частота
собственного колебания данной коле-
колебательной системы (см. Нормальные
колебания).
СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ —
то же, что нормальные колебания.
СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — тоже,
что звуколюминесценция.
СПЕКТР колебаний — сово-
совокупность простых гармонич. колеба-
колебаний, на к-рые может быть разложено
данное сложное колебательное движе-
движение. Математически такое движение
может быть представлено в виде пе-
риодич., но негармонич. ф-ции f(t)
с частотой со. Эту ф-цию можно раз-
разложить в С, т. е. представить в виде
ряда гармонич. ф-ций (ряд Фурье):
f(t) = 2Cncosn(ot с частотами и со,
кратными основной частоте (где Сп —
амплитуды гармонич. ф-ций, t — вре-
время, п — номер гармоники). Чем силь-
сильнее разлагаемое колебание отличает-
отличается от гармонического, тем богаче его
С, тем больше составляющих оберто-
обертонов содержится в разложении и тем
больше амплитуды этих обертонов.
В общем случае С. периодич. колеба-
колебания содержит бесконечный ряд гармо-
гармонич. обертонов, амплитуды к-рых убы-
убывают с увеличением номера обертона,
и притом довольно быстро, так что
практически приходится принимать
во внимание наличие только нек-рого
конечного числа обертонов.
Понятие «С.» обобщают и на слу-
случай непериодич. процессов, ограничен-
ограниченных во времени (напр., импульсов
акустических). В этом случае полу-
получится сплошной спектр, т. е. непре-
непрерывное множество гармонич. состав-
составляющих (интеграл Фурье). Для случай-
случайных процессов вводят понятие энерге-
тич. спектра, дающего среднюю энер-
энергию или интенсивность, приходящую-
приходящуюся на заданный частотный интервал
и относимую к средней частоте в этом
интервале.
С. звука выражает его частотный
(спектральный) состав и получается
в результате анализа звука. С. звука
Рис. 1.
Спектр пря-
прямоугольного
импульса
продолжи-
продолжительностью
Т.
\
2f 3f if
представляют обычно на координат-
координатной плоскости, где по оси абсцисс от-
отложена частота /, а по оси ординат —
амплитуда А или интенсивность / гар-
гармонич. составляющей звука с данной
частотой. Чистые тона, звуки с перио-
периодич. формой волны, а также звуки,
полученные при сложении несколь-
нескольких периодич. волн, обладают линей-
линейчатыми спектрами. Акустич. шумы,
'/2fD fa 2fa3f,5fa
ШдБ
a
4f
I
10
30
100 кГц
Рис. 2. Спектр акустической кавитации:
/о — частота возбуждения ультразвуко-
ультразвукового преобразователя.
одиночные импульсы, затухающие
звуки имеют сплошной спектр (рис. 1).
Частотные компоненты спектра аку-
акустического импульса прямоугольной
формы с заполнением несущей часто-
частотой /0 сосредоточены в основном вбли-
вблизи этой частоты в полосе шириной
1IT, где Т — длительность импульса.
У импульсов с огибающей гауссовой
спин
331
(«колокольной») формы эта полоса
уже и равна 1/Г. В шумовом спектре
акустич. кавитации выделяются ком-
компоненты, отвечающие основной ча-
частоте возбуждающего кавитацию зву-
звука и его субгармонике (рис. 2).
СПЕКТРОСКОПИЯ ультразву-
ультразвуков а я — раздел эксперименталь-
экспериментальной акустики, в к-ром изучаются
частотные зависимости параметров
распространения УЗ (коэфф. зату-
затухания и скорости распространения)
с целью определения структуры или
¦свойств вещества.
Широкое распространение получи-
получили методы С, основанные на изуче-
изучении затухания и, в частности, по-
поглощения звука. Для большинства жид-
жидкостей и газов характерна квадратич-
квадратичная зависимость коэфф. поглощения
звука от частоты. Отклонение от
этого закона, как правило, связано
с наличием релаксационных процес-
процессов (см. Релаксация), возникновение
к-рых обусловлено переходом энер-
энергии с одной степени свободы на дру-
другую. В гетерогенных средах, а также
в поликристаллич. твёрдых телах
с размерами структурных неоднород-
ностей порядка длины волны определя-
определяющим механизмом затухания УЗ-вых
колебаний при их распространении
является рассеяние звука. Частотная
зависимость затухания в этом слу-
случае имеет сложный характер, и коэфф.
затухания может быть пропорциона-
пропорционален различной степени частоты (в
зависимости от соотношения размеров
неоднородностей и длины волны),
вплоть до четвёртой.
Наличие релаксационных процес-
процессов в исследуемом веществе приводит
к появлению дисперсии скорости зву-
звука, т. е. к изменению скорости УЗ
от частоты. Однако если затухание
в релаксирующих средах может из-
изменяться на несколько порядков, то
изменение скорости составляет все-
всего несколько процентов. Методами
УЗ-вой С. пользуются в молекуляр-
молекулярной акустике при исследовании газов
л жидкостей.
Анализ частотных зависимостей па-
параметров распространения УЗ в твёр-
твёрдых телах позволяет определить экс-
экстремальные диаметры Ферми-поверх-
Ферми-поверхностей и эффективные массы элек-
электронов, выявить несовершенства кри-
сталлич. решёток, дислокации, до-
меиы, кристаллиты и т. п. (см. Аку-
Акустический парамагнитный резонанс,
Акустический ядерный магнитный ре-
резонанс, Взаимодействие ультразвука
с электронами проводимости, Дисло-
Дислокационное поглощение, Спин-фононпое
взаимодействие и т. п.).
Дополнительная информация о
структуре исследуемого вещества мо-
может быть получена в спектроскопич.
исследованиях при изменении внеш-
внешних условий: темп-ры, давления,
напряжённостей электрич. и магнит-
магнитных полей, освещённости, интенсив-
интенсивности проникающих излучений и т. п.
В таких исследованиях, как правило,
измеряются не абсолютные значения
измеряемых параметров, а их прира-
приращения, величина к-рых в ряде слу-
случаев может быть весьма небольшой.
Именно поэтому требования к точ-
точности и разрешающей способности
аппаратуры для спектроскопич. иссле-
исследований оказываются достаточно вы-
высокими. Напр., разрешающая спо-
способность аппаратуры для измерения
приращения скорости в биологич.
средах должна быть не хуже 10"" —
10~7 при точности абсолютных изме-
измерений скорости УЗ не хуже 10~4 —
10~5. Точность измерений абсолютного
значения коэфф. затухания УЗ долж-
должна быть не менее 2—5% при точности
относительных измерений 0,2—0,5%.
Реализация такой высокой точности
измерительной аппаратуры в широком
диапазоне частот требует учёта и тща-
тщательного анализа возможных источ-
источников погрешностей, как инструмен-
инструментальных, так и методических. Сниже-
Снижение инструментальных погрешностей
достигается совершенствованием элек-
электронной аппаратуры и механич. уз-
узлов приборов, тогда как снижение
методич. погрешностей требует тща-
тщательного согласования импедансов
пьезоэлектрич. преобразователей из-
измерительной камеры с входным и вы-
выходным импедансами электронной схе-
схемы. Особое внимание должно быть уде-
уделено учёту систематич. погрешностей,
возникновение к-рых обусловлено
дифракционным и волноводными эф-
эффектами в измерительной камере.
Лит.: Физическая акустика, под ред.
У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М., 1968,
гл. 5, 6, ч. Б, 1969, гл. 1—3; т. 4, ч. А, 1969,
гл. 4,ч. Б, 1970, гл. 4.
Б. Е. Михалёв, А. С. Химунин.
СПИН — собственный момент ко-
количества движения микрочастицы, не
связанный с её перемещением как це-
332
СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ
лого. По абсолютной величине С. ра-
равен Л ~[/s(s + 1), где П = Л/2я, h —
Планка постоянная, as — спиновое
квантовое число (кратко именуемое
также спином), к-рое может быть
только положительным целым, по-
полуцелым или нулём. Это число явля-
является, наряду с зарядом и массой, ха-
характерным и неизменным для каждо-
каждого типа элементарных частиц; напр.,
для электрона, протона, нейтрона s =
—V2, а для фотона s = I. С. более
сложных частиц, напр, атомных ядер,
атомов и молекул, складываются из
С. составляющих их элементарных
частиц. Проекция момента количест-
количества движения микрочастицы на выде-
выделенное направление (напр., на на-
направление внешнего магнитного поля)
может принимать лишь определён-
определённые значения. Число «разрешённых»
ориентации С. равно 2s-{- I, а про-
проекция С. на выделенное направление
может принимать 2s -)- 1 значений
l—hs,-n(s — i),..., + h(s—i), + Ы,
различающихся на величину Й.
Наличие С. у микрочастиц обуслов-
лввает существование у них постоян-
постоянного спинового магнитного момента,
пропорционального их С. Этот маг-
магнитный .момент ориентирован либо
параллельно С. (напр., у протона),
либо антипараллельно ему (напр.,
у электрона). Проекция спинового
магнитного момента микрочастицы на
направление магнитного поля Н, а
следовательно, и потенциальная энер-
энергия частицы, находящейся в магнит-
магнитном поле, также могут принимать
2s + 1 различных значений (в отсут-
отсутствии магнитного поля энергия ча-
частицы при всех ориентациях спина
одинакова). Другими словами, уров-
уровни энергии частицы, обладающей С,
при наложении внешнего магнитного
поля расщепляются на 2s -j- 1 маг-
магнитных подуровней, положение к-рых
может также зависеть от спин-орби-
спин-орбитального взаимодействия и от элект-
рич. внутрикристаллич. полей. Пе-
Переходы между этими подуровнями,
происходящие под действием акустич.
колебаний, распространяющихся в ве-
веществе, приводят к явлениям акус-
акустического парамагнитного резонанса
и акустического ядерного магнитного
резонанса. В. А. Ацаркин.
СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ — волны, ха-
характерные для магнитоупорядоченных
кристаллов (ферро-, антиферромагне-
антиферромагнетиков и ферритов), в к-рых перемен-
переменной величиной является отклонение-
спинов от равновесной ориентации,
сопровождающееся отклонением плот-
плотности магнитного момента вещества
от равновесного значения. Существо-
Существование С. в. обусловлено обменным
взаимодействием (см. Ферромагнети-
Ферромагнетики), благодаря к-рому изменение маг-
магнитного момента одного атома пере-
передаётся соседнему, затем следующему
и т. д. С. в. можно рассматривать
как волну отклонения намагничен-
намагниченности вещества от её равновесного-
значения. Периодичность Св. во вре-
времени характеризуется частотой со,
в пространстве — волновым вектором
fc. С позиций квантовой механики
каждую С. в. можно трактовать как
квазичастицу (магнон) с квазиимпуль-
квазиимпульсом hk и энергией few. Значения со и
к в С. в. связаны довольно сложным
соотношением. В простейшем случае,
когда направление распространения
С. в. совпадает с направлением посто-
постоянного магнитного ноля Но, эта связь
имеет вид:
ш = у (Я -)- акг),
где у = е/тс0 — гиромагнитное отно-
отношение для спина электрона, е и га —
заряд и масса электрона, са — ско-
скорость света в вакууме, Н — напря-
напряжённость постоянного магнитного по-
поля, к-рая включает в себя как внеш-
внешнее поле, так и внутренние поля, свя-
связанные с различием магнитных свойств,
по разным направлениям в кристал-
кристалле и с наличием границ образца,
а — величина, зависящая от обменной
постоянной, к-рая характеризует
квантовомеханич. обменное взаимо-
взаимодействие, и от угла между направле-
направлениями поля Н и волнового вектора к.
Из ф-лы видно, что при малых к ча-
частота со практически не зависит от к„
а определяется только величиной Н;
при больших к со ~к2. Отсюда ясно,,
что скорость распространения С. в.
V = (о/к является ф-цией магнитного
поля и длины Св. к = 2п/к. При
больших длинах волн скорость С. в.
мала, она оказывается значительно
меньше, чем скорость распростране-
распространения упругих волн (см. Скорость зву-
звука); с уменьшением длины волны ско-
скорость С. в. увеличивается и при опре-
определённых условиях может превысить
скорость звука.
Частота С. в. ограничена снизу,
поскольку внутреннее поле магнит-
СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
333
ной анизотропии, к-рое входит в ве-
величину Н в ф-ле, обычно составляет
•от десятков до сотен эрстед, и поэтому
даже в отсутствии внешнего поля и
при к—*0 частота С. в. составляет ве-
величину большую, чем 10** Гц. Верхнее
граничное значение частоты Св. оп-
определяется величиной максимально
достижимой напряжённости магнит-
магнитного поля и составляет~5-1010 Гц.
С. в. можно возбуждать, помещая,
напр., образец феррита в СВЧ-резо-
натор электромагнитных волн; воз-
возникающие при этом колебания намаг-
намагниченности образца можно рассмат-
рассматривать как С. в. с частотой со, равной
¦частоте резонатора, и с к = 0. Воз-
Возбуждение С. в. с к^=0 осуществляется
при падении электромагнитной волны
с частотой, близкой частоте ферро-
ферромагнитного резонанса, на поверхность
металлич. ферромагнетика. Длина
¦С. в. определяется при этом толщиной
скин-слоя сплошного ферромагнети-
ферромагнетика или толщиной ферромагнитной
плёнки. Для возбуждения С. в. ис-
используется также эффект трансфор-
трансформации упругой волны с частотой со3в
и волновым вектором кзв в С. в. бла-
тодаря магнитоупругому взаимодей-
взаимодействию (см. Магнитоупругие волны)
при условии, что со = созв и к = &зв.
Лит.: Ахиезер А. И., Барьях-
тар В. Г., П е л е т м и н с к и й С. В.,
Спиновые волны, М., 1967; Т а к е р Д ж.,
Рэмптон В., Гиперзвук в физике твер-
твердого тела, пер. с англ., М., 1975.
А. Л. Полякова.
СПИН-РЕШЁТОЧНАЯ РЕЛАКСА-
РЕЛАКСАЦИЯ — см. Спин-фононное взаимо-
взаимодействие.
СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙ-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — взаимодействие между маг-
магнитными моментами парамагнитных
частиц или ядер (спин-системой) и
упругими колебаниями окружающей
их среды (фононами). Обычно раз-
различают электронное С.-ф. в. и ядер-
ядерное С.-ф. в.
Электронное С.-ф. в. в па-
парамагнитных кристаллах обуслов-
обусловливается различными механизмами.
В «разбавленных» парамагнетиках,
т. е. в кристаллах, где решётку об-
образуют диамагнитные ионы, а пара-
парамагнитные ионы замещают лишь не-
незначительную их часть и практически
не взаимодействуют друг с другом,
основную роль играет механизм Ван-
Флека. Диамагнитные ионы в таких
кристаллах создают сильное внутри-
кристаллич. электрич. поле. Обычно
рассматривается влияние на парамаг-
парамагнитный ион ближайшего диамагнит-
диамагнитного окружения. Распространение
акустич. волн в кристалле приводит
к периодич. искажению кристаллич.
решётки и, следовательно, к периодич.
изменению электрич. поля. Это пе-
переменное поле влияет на орбитальное
движение электронов парамагнитно-
парамагнитного иона и тем самым — на орбиталь-
орбитальный магнитный момент, изменение
к-рого посредством спин-орбитально-
спин-орбитального взаимодействия вызывает переори-
переориентацию спинового магнитного момен-
момента иона.
В материалах с большой плотностью
парамагнитных частиц, где нельзя
пренебрегать влиянием парамагнит-
парамагнитных ионов друг на друга, главную
роль при С.-ф. в. играет механизм
Валлера. При упругих колебаниях
решётки расстояния между парамаг-
парамагнитными ионами изменяются с часто-
частотой этих колебаний. Движение со-
соседних ионов приводит к возникнове>-
нию осциллирующего магнитного по-
поля, к-рое взаимодействует со спино-
спиновым и магнитными моментами пара-
парамагнитных частиц.
Электронное С.-ф. в. сильно про-
проявляется в парамагнитных кристал-
кристаллах с ионами группы железа и редко-
редкоземельными ионами, напр, в А12О3
с примесью ионов Сг3+, в CaF2 с Еи2+.
А'п
Рис. 1. Схема
перехода: о —
с уровня энер-
энергии Si на уро-
вень Si, со- *у д ej б
провождаемо-
го излучением фонона hf0; б — с уровня $)
на уровень ,,fi, сопровождаемого поглоще-
поглощением фонона hf0.
С.-ф. в. обусловливает обмен энер-
энергией между спиновой системой и ре-
решёткой — т. н. спи н-р е ш ё т о ч-
ную релаксацию, к-рая может
осуществляться посредством двух про-
процессов: прямого и непрямого. В пря-
прямых, или однофононных, процессах
переход иона с верхнего энергетич.
уровня Si на нижний 3j сопровожда-
сопровождается переориентацией магнитного мо-
момента электрона и излучением одного
фонона с энергией й/0 = S ^ — S -}
(рис. 1, в), при обратном процессе
происходит поглощение энергии ко-
колебаний кристаллической решётки.
334
СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
(фонона) и соответствующее увеличе-
увеличение энергии спин-системы (рис. 1, б).
Процессы прямой спин-решёточной ре-
релаксации преобладают при низких
темп-pax; они, напр., наблюдаются
во многих парамагнитных системах
при темп-pax жидкого гелия.
С повышением темп-ры энергия ко-
колебаний кристаллич. решётки воз-
возрастает и начинает преобладать не-
hi,
Рис. 2. Схема перехода
с уровня $) на уровень
St, сопровождаемого по-
поглощением фонона hft и
излучением фонона hf2.
прямой, или комбинационный (мно-
гофононный), процесс спин-решёточ-
спин-решёточной релаксации: при переходах с уров-
уровня 3 ^ на уровень $х может происхо-
происходить одновременно поглощение фононов
с энергией hf1 и излучение фононов
с энергией й/2, так что в результа-
результате выполняется условие: S^ — S'j =
= hf1 — й/2 (рис. 2). В непрямых про-
процессах участвуют все колебания
решётки, характерные для данной
темп-ры, поскольку, согласно выше-
вышеуказанному условию, частоты j1 и
/2 могут иметь различные значения
в широких пределах; в прямых про-
процессах принимают участие только фо-
ноны резонансной частоты /0.
Для количественной оценки про-
процессов спин-решёточной релаксации
и С.-ф. в. удобно пользоваться кон-
константами С.-ф. в., характеризующими
зависимость изменения энергии спи-
спиновой системы от деформаций решёт-
решётки. Время спин-решёточной релакса-
релаксации обратно пропорционально веро-
вероятности спин-фононных переходов
U и, следовательно, величине конс-
констант С.-ф. в., поскольку
U —' У, Gtjhiekl,
tiki
где Gyftl — константы С.-ф. в., efe; —
относительная деформация, г, ;, к,
I — обозначение координатных осей.
Константы С.-ф. в. являются компо-
компонентами тензора, вид к-рого сущест-
существенно зависит от симметрии локаль-
локального электрич. поля вблизи парамаг-
парамагнитного иона.
Для определения констант С.-ф. в.
используют ряд экспериментальных
методов. Измерение времени спин-
решёточной релаксации не даёт воз-
возможности определить все компоненты
тензора G^; даже при наличии
только прямых процессов. Чаще все-
всего для определения констант С.-ф. в.
применяется метод одноосного сжа-
сжатия и акустический парамагнитный
резонанс (АПР). Т. к. затухание зву-
звука при АПР пропорционально веро-
вероятности спин-фононных переходов и,
следовательно, квадратам констант
С.-ф. в., то этим методом невозможно
определить знак константы С.-ф. в. и,
кроме того, сложно получить значе-
значения всех констант Gijhi. Точность
определения Сщ; этим методом не-
невелика из-за трудности точного из-
измерения ширины линии спин-фонон-
ного перехода.
Метод одноосного сжатия состоит
в измерении сдвига линий электрон-
электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)
под действием одноосного давления,
вызывающего статич. деформацию па-
парамагнетика. Соответствующее ей из-
изменение локального кристаллич. по-
поля вследствие С.-ф. в. вызывает из-
изменение разности энергий между па-
парамагнитными уровнями (рис. 3). Т. к.
регистрация спектра ЭПР обычно
производится при постоянной часто-
частоте, к-рая находится в диапазоне не-
нескольких тысяч МГц, то при одноос-
одноосном сжатии наблюдается изменение
напряжённости резонансного магнит-
магнитного поля, т. е. сдвиг линии ЭПР. Ве-
Рис. 3. Зависимость
энергии парамагнитных
уровней «? от величины
магнитного поля Н
(сплошные линии в не-
нагружённом образце,
пунктирные — при одно-
одноосном сжатии): Я, и Нг—
резонансные значения
магнитного поля до и
после одноосного сжатия
при заданной частоте
резонансного перехода.
&H=Hi — Н2 пропорцио-
пропорционально величине констант
спин-фононного взаимо-
взаимодействия.
Н
личина сдвига пропорциональна пер-
первой степени констант С.-ф. в., что
позволяет определять величину и знак
этих констант. Этот метод определе-
определения констант Gijfc; существенно про-
проще, т. к. не требует возбуждения вис-
следуемом кристалле гиперзвуковых
колебаний. Он основан на применении
обычного ЭПР-спектрометра, в к-ром
можно подвергать образец давленшо>
СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ
335
порядка сотен кгс/см2. В табл. 1 при-
приведены значения нек-рых констант
С.-ф. в. для MgO с примесью ионов
Cr3*, Ni2+, Fes+, имеющего внутри-
кристаллич. электрич. поле кубич.
симметрии, и для А12О3 с примесью
Табл. 1.—Константы
электронного с п и н-ф о н о н н о го
взаимодействия,
см-' A см->= 1,986-Ю-23 Дж)
Кри-
Кристалл
MgO
А1.О,
Ион
Cr»v
Fe3+
Ni2+
Метод АПР
Gxxxx
1,3
5,0
57
Gxxyz
0,9
Gyzyz
6,5
0,65
50
Gzzzz
5,3
Метод одноос-
одноосного сжатия
&ХХХХ
+0,6
+ 5,1
+ 57
**xxyz
— 0,43
Gyzyz
+4,2
-0,72
+36
&ZZZZ
+6,4
ионов Сг3*, к-рый имеет электрич. поле
тригональной симметрии. Из таблицы
видно, что значения констант С.-ф. в.,
полученные УЗ-выми методами и ме-
методом одноосного сжатия, хорошо
совпадают.
В случае ядерного С.-ф. в.
связь упругих колебаний твёрдого
тела с системой ядерных спинов может
осуществляться посредством несколь-
нескольких типов электрич. и магнитных вза-
взаимодействий, сила к-рых периодически
модулируется акустич. колебаниями.
Такими взаимодействиями являются:
магнитное диполь-дипольное между
соседними спинами; электрич. квадру-
польное между квадрупольными мо-
моментами ядра и градиентом электрич.
поля, создаваемым внешними по от-
отношению к ядру зарядами; сверхтон-
сверхтонкое взаимодействие в ферромагнит-
ферромагнитных материалах; взаимодействие ядер-
ядерного магнитного момента со слабым
радиочастотным магнитным полем, воз-
возникающим при распространении по-
поперечной звуковой волны в металле,
и др. Ядра со спином />V2 могут
обладать электрич. квадрупольным мо-
моментом, к-рый является мерой откло-
отклонения распределения заряда в ядре
от сферич. формы. Акустич. колеба-
колебания кристаллич. решётки вызывают
периодич. изменения градиента внут-
рикристаллич. электрич. полей, к-рые,
взаимодействуя с квадрупольным мо-
моментом ядра, осуществляют ядерное
С.-ф. в. (т. н. динамич. ядерное квад-
рупольное взаимодействие). В боль-
большинстве экспериментов передача энер-
энергии акустич. колебаний ядерным спи-
спинам осуществлялась главным обра-
образом за счёт ядерного электрическо-
электрического квадрупольного взаимодействия.
Это взаимодействие наблюдается в що-
лочно-галоидных кристаллах, содер-
содержащих ядра (Na23, Br79) со спиной
/>1/2; в полупроводниках группи
A"'BV, таких, как InSb, к-рый содер-
содержит ядра In115 и др.; в монокристал-
монокристаллах металлов, напр, тантала. Ядерное
С.-ф. в. чаще всего характеризуется
коэфф. спин-фононного поглощения
звука, к-рый позволяет получать ин-
информацию о природе и величине внут-
внутренних магнитных полей и о процес-'
сах ядерной спин-решёточной релак-
релаксации, определять величину ядерного
квадрупольного взаимодействия и др.
Ядерное С.-ф. в. изучается с помощью
методов, используемых при наблюдении
акустического ядерного магнитного ре-
резонанса, т. е. в области частот от 1 д»
100 МГц.
В табл. 2 приведены значения ко-
коэффициентов ядерного спин-фононног»
поглощения звука а для нек-рых ма-
Т а б л. 2.—Коэффициенты
ядерного спин-фононного
поглощения
Кристалл
КВг
Nal
KI
Rbl ...
Ядро
В г»
J127
J127
1127
а, 10~в см
0,72
2,1
1,4
0 28
териалов. Величина коэфф. ядерного
спин-фононного поглощения звука на
несколько порядков меньше, чем соот-
соответствующий коэфф. поглощения ги-
гиперзвука при АПР.
Лит.: Альтшулер С. А., Козы-
Козырев Б. М., Электронный парамагнит-
парамагнитный резонанс, М., 1961; Так ер Дж.,
Рэмптон В., Гиперзвук в физике твер-
твердого тела, М., 1975; Голенищев-Ку-
тузов В. А. ид р., Магнитная квантовая
акустика, М., 1977. В. Г. Бадалян.
СТОИЛИ ВОЛНЫ — см. Поверх-
Поверхностные волны.
СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ — гармониче-
гармонические свободные колебания (нормаль-
(нормальные колебания) ограниченных облас-
областей среды. Различные участки среды
в С. в. колеблются либо синфазно,
либо противофазно. Для любой огра-
ограниченной области среды существует
336
бесконечный дискретный набор С. в.,
различающихся частотой (собственные
частоты) и характерным расположе-
расположением узлов и пучностей. Любые сво-
свободные колебания в ограниченной об-
области можно представить в виде су-
суперпозиции С. в. данной области с со-
соответственно подобранными амплиту-
амплитудами и фазами.
Наиболее просты С. в. в одномерных
областях, напр, в жидкостях или га-
газах, заполняющих узкую (по срав-
сравнению с длиной волны) трубу, или
в тонком стержне. Звуковое давление
р в С. в. в трубе длиной L, заполнен-
заполненной средой с плотностью р и скоро-
скоростью звука с в ней, можно записать
в виде:
где х — координата вдоль трубы, А —
амплитуда С. в., ф — начальная фаза
в к — волновое число, к-рые опреде-
определяются граничными условиями на
концах трубы i = 0 и i = i, aco =
=кс — собственная частота данной С. в.
Колебательная скорость в такой вол-
волне равна:
Пучности давления расположены на
расстоянии полуволны друг от дру-
друга, а узлы давления делят эти расстоя-
расстояния пополам. Пучности колебатель-
колебательной скорости совпадают с узлами
давления и наоборот. Фазы давления
и колебательной скорости сдвинуты
друг относительно друга на четверть
периода. Средний поток энергии
вдоль трубы за период равен нулю:
в отличие от бегущей волны С. в. не
передают энергии, к-рая только ко-
колеблется между соседними пучностя-
пучностями давления и скорости, причём кине-
тич. энергия колебаний переходит
в упругую (потенциальную) энергию
и обратно.
Одномерную стоячую волну можно
также представить в виде суперпози-
суперпозиции двух волн, бегущих в трубе на-
навстречу друг другу и переходящих од-
одна в другую после отражения на
концах, к-рые можно представить себе
в виде крышек с теми или иными свой-
свойствами:
Р = /2 Ае ~т 12 Ае
Для «жёстких крышек» (v = О при
1 = 0в при ж=1/)ф= 0 и & = nnl L,
СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ
где п — 1,2,3,..., так что С. в. можно
записать в виде:
Рп = Ап (cos ™ х)е
Собственные частоты такой трубы на-
находятся в отношениях 1:2:3..., т. е.
образуют полный гармонич. ряд, а
на длине трубы в каждой С. в. ук-
укладывается целое число полуволн.
Такие же соотношения получатся и
для продольных колебаний стержня
с закреплёнными концами, и для по-
поперечных колебаний струны, для к-рой
величины р и v будут обозначать
соответственно поперечную компонен-
компоненту натяжения струны и скорость по-
поперечных колебаний частиц струны.
Для трубы с «мягкими крышками»,
т. е. при условии р = 0 на границах
i=0 и х = L (это условие прибли-
приближённо осуществляется для узкой тру-
трубы, открытой с обоих концов), С. в.
принимает вид:
—i t
Рп = Ап (sin ™x)e
В этом случае получается такой же ряд
собственных частот, что и в предыду-
предыдущем случае, но узлы и пучности
давления и колебательной скорости
меняются местами.
Если на конце х = 0 имеется жёст-
жёсткая крышка, а конец х = L открыт,
то С. в. имеют вид:
BП-ОПГ {
. . Bп—1)я , 2L
Рп = Ап [cos i—2Г~х^е
и собственные частоты находятся в от-
отношениях 1:3:5..., образуя неполный
гармонич. ряд, д на длине трубы
в каждой С. в. укладывается нечёт-
нечётное число четвертей волны. Резуль-
Результаты последних двух случаев также
можно перенести и на стержни, осво-
освобождая от закрепления один или оба
его конца. С. в. самой низкой часто-
частоты наз. основным тоном (или
первой гармоникой), а последую-
последующие Св.— гармониками, или
обертонами. Ряд обертонов,
в принципе, бесконечен, однако для
высоких номеров обертонов, для к-рых
требование узости трубы нарушается,
возможны Св. и других типов.
Описанная картина волн при раз-
различных граничных условиях остаётся
качественно справедливой и для стерж-
стержней переменного сечения, напр, для
СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ
337
сужающихся стержней, применяемых
в качестве УЗ-вых концентраторов.
Стержни, применяемые в УЗ-вой тех-
технике, работают обычно на основном
тоне.
В реальных условиях С. в*, строго
говоря, не осуществляются, посколь-
поскольку всегда имеет место излучение ко-
колебаний в окружающую среду, а так-
также поглощение колебательной энер-
энергии в среде. Практически всегда при-
приходится иметь дело с квазистоячими
волнами: либо затухающими С. в.,
либо вынужденными С. в. Звуковое
поле в затухающих С. в. отличается
от чисто С. в. множителем е~м, где
а — временной амплитудный коэфф.
затухания, связанный с добротностью
Q данного колебания соотношением
а = со/2<?. Напр., для трубы, закры-
закрытой с одного конца, а с другого нагру-
нагружённой на активное удельное сопро-
сопротивление R, много меньшее, чем вол-
волновое сопротивление среды в трубе,
п_ рсBп~ 1) it
v 4R •
Если труба со второго конца открыта,
так что активная нагрузка создаётся из-
излучением наружу, то Q=4L2/Bn—i)S,
где S — площадь сечения трубы.
Незатухающие С. в. в стержне мож-
можно осуществить как вынужденные
Св., в к-рых потери колебательной
энергии компенсируются работой вы-
вынуждающих сил, создаваемых, напр.,
действием излучателя, присоединён-
присоединённого к одному концу стержня, с дру-
другого конца к-рого имеется активное
сопротивление нагрузки. Такую С. в.
по-прежнему можно представить в ви-
виде суперпозиции двух бегущих волн,
однако теперь амплитуды этих волн
не равны друг другу: волна, бегущая
от излучателя, имеет большую ампли-
ТУДУ> чем обратная волна. В резуль-
результате такая вынужденная Св. будет
передавать энергию от излучателя
к нагрузке и в отличие от чисто С. в.
давление и колебательная скорость
в ней не будут доходить до нуля в уз-
узлах. При удельном сопротивлении
нагрузки Я, малом по сравнению
с волновым сопротивлением рс мате-
материала стержня, на обоих концах
стержня будут располагаться узлы
давления, а отношение амплитуд дав-
давления в узлах и в пучностях — т. н.
коэффициент бегучести у, квазистоя-
квазистоячей волны, будет равен: я = Ripe (ино-
(иногда пользуются коэфф. С в., рав-
равным 1Ы). Если стержень колеблется
на обертоне номера п, то его доброт-
добротность
Q = пп/% = гетсрс/Д,
С. в. в двухмерных и в трёхмерных
замкнутых участках среды также об-
образуют бесконечный дискретный набор
гармонич. колебаний, различающихся
собственными частотами и характер-
характерным расположением узлов и пучно-
пучностей; число таких колебаний в за-
заданном диапазоне частот (особенно
в трёхмерном случае) очень велико
по сравнению с одномерной задачей,
а расположение узлов и пучностей —
гораздо сложнее, особенно для С в.
в твёрдых телах. Особый интерес
представляет расположение узловых
линий изгибных колебаний на пласти-
пластинах и оболочках, поскольку такие
элементы широко применяются в раз-
различных конструкциях. Это распре-
распределение можно сделать наглядным
с помощью Хладна фигур и по их
изменениям судить об изменениях
свойств колеблющегося элемента, на-
например о появлении трещины, чем
пользуются в дефектоскопии.
С в. могут возникать не только
в замкнутых объёмах, но и в неогра-
неограниченной среде при отражении бегу-
бегущей волны от препятствия. Напр.,
при нормальном падении гармонич.
плоской волны на плоскую границу
интерференционная картина, образо-
образованная падающей и отражённой вол-
волнами, представляет собой С в. с
плоскостями узлов и пучностей, распо-
расположенными параллельно границе. В от-
отличие от С в. в замкнутых объёмах
никакого дискретного набора волн
в этом случае нет: такая С в. возмож-
возможна на любой частоте и при изменении
частоты будут только перемещаться
плоскости узлов и пучностей. Если
граница — плоскость раздела с к.-л.
другой средой, то в среде перед гра-
границей образуется квазистоячая волна
с коэфф. бегучести, равным отношению
меньшего из волновых сопротивлений
соприкасающихся сред к большему.
При наклонном падении плоской вол-
волны на плоскую границу под углом
скольжения 6 надающая и отражён-
отражённая волны создают интерференцион-
интерференционную картину, распределение давлений
в к-рой соответствует С. в. в направ-
направлении нормали к границе и бегущей
338
СТРУХАЛЯ ЧИСЛО
волне — в направлении вдоль грани-
границы. Так, при падении волны
_ ttut -t-ik cos Qx + iksin6z
ва жёсткую границу z = О образует-
образуется волна вида
р = 2 cos (A: sin 6 z) e~'<»« ¦"¦«>• "* ,
у к-рой узлы давления и ж-компонен-
ты колебательной скорости располо-
жевы в плоскостях z =
"
2 i в ' а
узлы z-компоненты скорости — в пло-
СКОСТЯХ Z = ^.
В УЗ-вой области С. в. представля-
представляют собой один из важнейших видов
звукового поля, особенно в одномерных
и двухмерных системах: почти вся
УЗ-вая техника связана с ограничен-
ограниченными объёмами испытуемого или об-
обрабатываемого вещества, а акустич.
часть УЗ-вой аппаратуры строится
в основном из стержней, диафрагм и
пластинок.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959; РжевкинС. Н.,
Курс лекций по теории звука, М., 1960;
Исакович М. А., Общая акустика, М.,
1973. М. А. Исакович.
СТРУХАЛЯ ЧИСЛО — безразмер-
безразмерное число, к-рое является мерой
отношения сил инерции нестационар-
нестационарного и стационарного движений жид-
жидкостей или газов; характеризует оди-
одинаковость протекания процессов во
времени: Sh = Uvt = fllv, где v —
характерная скорость течения, I —
характерный линейный размер, t —
характерный для нестационарного
движения промежуток времени, / —
характерная частота. (Иногда через
Sh обозначают обратную величину
vtll.) При расчёте колебаний упругих
тел в потоках жидкостей или газов
(напр., колебаний крыла самолёта,
перископа), а также пульсаций дав-
давления в зонах отрыва потока (напр.,
пульсации давления за обтекаемым те-
телом на днище ракеты) пользуются
эмиирич. законом постоянства С. ч.
Sh=aO,2—0,3, к-рый выполняется
в широком интервале изменения Рей-
нольдса числа.
СУШКА ультразвукова я—
удаление влаги из материала под влия-
влиянием интенсивных акустич. колебаний
УЗ-вых частот. В значительной мере
эффективность УЗ-вой С. связана с
ускорением процессов тепломассооб-
тепломассообмена в ультразвуковом поле. При
УЗ-вой С. высушиваемый материал
подвергается со стороны газовой среды
воздействию УЗ-вого поля с уровнем
интенсивности ^ 145 дБ, создаваемо-
создаваемого обычно газоструйными излучателя-
излучателями. Механизм воздействия упругих
волн на влагу зависит от агрегатного
состояния материала, его влажности,
размера частиц материала, типа свя-
связи влаги с ним и характеристик акус-
акустич. поля.
При очень высокой влажности ка-
капиллярно-пористых материалов B00—
500%) имеет место чисто механич.
удаление влаги, к-рое сводится к свое-
своеобразному «вытряхиванию» жидкости
из капилляров. Это происходит вслед-
вследствие дробления капель при возник-
возникновении у поверхности материала
сильных акустич. потоков (см. Аку-
Акустические течения) и появления капил-
капиллярных волн. В известной степени
эти процессы аналогичны процессам,
протекающим при УЗ-вом распылении,
с той разницей, что в последнем слу-
случае УЗ-вая энергия подводится со
стороны жидкости. Механич. воздей-
воздействие зависит от интенсивности аку-
акустической волны, сильно возрастая
при увеличении её уровня выше 165
дБ, и ослабевает с повышением час-
частоты; наиболее сильно оно проявля-
проявляется в пучностях скорости стоячей
волны, где акустические потоки мак-
максимальны.
При умеренной влажности капил-
капиллярно-пористого материала A0—70%)
воздействие акустич. колебаний на
С. проявляется по-разному на раз-
различных её стадиях.
В первый период, характеризуемый
постоянной скоростью С, удаляемая
с поверхности влага непрерывно вос-
восполняется поступающей из внутрен-
внутренних слоев материала. Скорость С.
определяется в этот период градиен-
градиентом концентрации жидкости в диф-
диффузионном пограничном слое. Под
воздействием УЗ процесс испарения
жидкости с поверхности резко ускоря-
ускоряется, поскольку у влажной поверх-
поверхности возникают акустич. потоки,
вызывающие деформацию диффузион-
диффузионного пограничного слоя; при этом
слой становится тоньше, градиент кон-
концентрации растёт, что и приводит к
ускорению удаления влаги с поверх-
поверхности. Существенное влияние акустич.
потоков в первый период С. связа-
связано с относительно малой толщиной
СУШКА
339
их пограничного слоя. Сравнение
УЗ-вой С. с конвективной при посто-
постоянном обдуве поверхности материала
показывает, что, даже когда скорость
акустич. потоков сравнима со ско-
скоростью постоянного потока воздуха
при обдуве, УЗ-вая С. протекает зна-
значительно быстрее ввиду того, что тол-
толщина пограничного слоя для акустич.
потоков меньше, чем толщина гидро-
динамич. пограничного слоя (послед-
(последняя приблизительно равна толщине
диффузионного пограничного слоя).
Процесс акустич. воздействия в пер-
первый период С. начинается с нек-рого
порогового значения звукового давле-
давления ркр, зависящего от конфигурации
тела, типа возникающих акустичес-
акустических потоков и разности концентраций
жидкости (f. e. различия влажности)
на поверхности материала Со и в ок-
окружающей среде С». Напр., для по-
порошкообразных материалов со сферич.
частицами, диаметр к-рых d меньше
длины звуковой волны,
Ркр
— Л/~ 2,bgd (Co-Coo)
_рс у -
где рс — волновое сопротивление га-
газовой среды, g — ускорение силы тя-
тяжести, р — плотность газа. Обычно
критич. уровень звукового давления
лежит в пределах 130—140 дБ. Диа-
Диапазон применяемых частот зависит от
многих факторов, но определяется
гл. обр. затуханием звука в среде и
допустимыми нормами шума работа-
работающего оборудования (8—18 кГц).
На второй стадии С, обозначаемой
обычно как «период падающей ско-
скорости», когда влажность материала
мала и поступление жидкости изнутри
не успевает восполнять её убыль на
поверхности, воздействие акустич. ко-
колебаний сводится к увеличению коэфф.
диффузии жидкости в результате её
нагрева при поглощении УЗ в макро-
макрокапиллярах и порах. Ввиду того что
нагрев материала в звуковом поле не-
невелик, увеличение коэфф. диффузии
не превышает 100—200% и существен-
существенное ускорение С. на этой стадии не
наблюдается.
Т. о., применение УЗ эффективно
в период постоянной скорости С.
К достоинствам УЗ-вой С. относится
возможность ускорения процесса в 2—
6 раз без существенного повышения
темп-ры материала, что особенно важ-
важно при сушке легко окисляющихся и
термочувствительных продуктов. Од-
Однако УЗ-вая С. может быть рекомен-
рекомендована лишь для сравнительно узкого
круга материалов из-за высокой стои-
стоимости акустич. энергии, обусловлен-
обусловленной, в частности, низким кпд B0—
25%) излучателей, работающих в га-
газовых средах. Наиболее целесообраз-
целесообразна УЗ-вая С. для мелкодисперсных
материалов, находящихся в процессе
озвучивания во взвешенном состоя-
состоянии или в состоянии непрерывного
перемешивания, т. к. при этом мало
значение ркр и обеспечивается равно-
равномерная обработка продукта. Скорость
С. понижается с увеличением толщи-
толщины обрабатываемого слоя. УЗ-вая С.
применяется гл. обр. при производ-
производстве фармацевтич. и биологич. препа-
препаратов, таких, как термочувствитель-
термочувствительные порошки — антибиотики и гор-
гормональные препараты. Проводятся
работы в направлении использования
УЗ-вой С. для обезвоживания уголь-
угольной пыли, для сушки зерновых, в про-
производстве сухого молока.
Для С. применяются УЗ-вые сушил-
сушилки, к-рые, как правило, отличаются
от обычных конвективных сушилок
лишь тем, что в них в месте располо-
расположения продукта с помощью газоструй-
газоструйного излучателя того или иного типа
создаётся мощное акустич. поле. Для
С. наиболее пригодны сушилки с ки-
кипящим слоем, туннельные, распыли-
распылительные и барабанные.
Лит.: Boucher R. M. G., Drying by
airborne ultrasonics, «Ultrasonic News»,
1959, v. 3, J\fi 2; Б о р и с о в Ю. Я., Г ы н-
к и н а Н. М., Акустическая сушка, в кн.:
Физические основы ультразвуковой техно-
технологии, М., 1970. Ю. Я. Борисов.
т
ТВЕРДОМЕР ультразвуко-
ультразвуковой — прибор для определения твёр-
твёрдости поверхности образцов из раз-
различных материалов. Предназначен для
быстрого контроля состояния по-
поверхностного слоя металлов и раз-
различных покрытий.
Действие ультразвукового Т. ос-
основано на изменении резонансных
свойств стержневой колебательной
системы при механическом контакте
её рабочего торца с твёрдым телом.
Т. состоит из преобразователя 1 (рис.),
волновода 2 с индентором 3 на конце
в виде конуса Роквелла или пирамиды
Виккерса, генератора 5, возбуждаю-
возбуждающего резонансные УЗ-вые колебания
в колебательной системе преобразова-
преобразователь — волновод — индентор, и ре-
регистрирующего устройства 4, Часто-
Частота колебаний составляет 20—40 кГц,
амплитуда колебательных смещений
индентора — ~ 1 мкм, добротность
колебательной системы — —несколь-
—нескольких сотен. При измерениях индентор
прижимается к контролируемой по-
поверхности с постоянной силой до
1 кгс. Чем выше твёрдость материала,
тем меньше глубина проникновения
индентора, а следовательно, меньше
кал площадь соприкосновения коле-
колебательной системы с поверхностью,
4 5
Схема ультра-
ультразвукового
твердомера.
так и вносимое сопротивление акус-
тич. нагрузки. Реактивная компонен-
компонента сопротивления нагрузки вызыва-
вызывает изменение резонансной частоты ко-
колебательной системы (обычно в сто-
сторону повышения), а активная ком-
компонента — изменение её добротности.
Регистрирующее устройство чаще все-
всего работает по принципу измерения
частоты, иногда — по принципу из-
измерения резонансной амплитуды ко-
колебаний, связанной с добротностью.
Генератор при этом работает по схе-
схеме автоматич. подстройки частоты
на резонанс колебательной системы.
В УЗ-вом Т. без автоподстройки час-
частоты эффект регистрируется по из-
изменению входного электрич. сопро-
сопротивления преобразователя при фикси-
фиксированной частоте генератора. Показа-
Показания прибора калибруются с помощью
набора образцов определённой твёр-
твёрдости. Поскольку УЗ-вой Т. факти-
фактически измеряет сопротивление акус-
тич. нагрузки, к-рое существенным об-
образом зависит от волнового сопротив-
сопротивления измеряемого материала, гра-
градуировка справедлива для материалов
с близкими акустическими парамет-
параметрами.
Достоинство УЗ-вого Т. по сравнению
с обычными измерителями твёрдости,
основанными на определении размеров
оставленного индентором отпечатка,—
в его быстродействии, а также в том,
что индикация осуществляется не-
непосредственно в момент воздействия
индентора, т. е. исключаются погреш-
погрешности, связанные с восстановлением
исходного состояния поверхности пос-
после прекращения контакта. Выпуска-
Выпускаются УЗ-вые Т., измеряющие твёр-
твёрдость поверхности в пределах от 20
до 70 единиц по Роквеллу с точностью
до ±1 в течение 10 с.
Лит.: Kleesattel С, Glad we 11 G.,
«Ultrasonics», 1968, v. 6, J4S 3, p. 175 —
180; 1969, v. 7, JM1 1, p. 57—62; Казан-
ц е в В. Ф. и д р., «Открытия, изобретения,
промышл. образцы, товарные знаки», 1976,
№ 17, с. 147. В.Ф. Казанцев.
ТЕПЛОМАССООБМЕН В УЛЬТ-
УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ — процесс из-
изменения температурных и концент-
концентрационных полей в газообразной или
жидкой среде вследствие изменения
гидродинамич. характеристик среды
под воздействием интенсивных акус-
тич. колебаний.
Механизм воздействия в основном
связан с появлением акустических
течений, обусловленных поглоще-
ТЕПЛОМАССООБМЕН В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
341
нием ультразвуковой энергии в сре-
среде (эккартовы потоки) и в погранич-
пограничном слое у поверхности твёрдых тел
(рэлеевские потоки в стоячей вол-
волне, микропотоки у препятствий), а
также движением колеблющихся из-
излучающих поверхностей. Преимуще-
Преимущество акустич. потоков перед обычными
гидродинамическими — в малой тол-
толщине их пограничного слоя ба =
= ^/v/я/ (v — коэфф. кинематич. вяз-
вязкости, / — частота колебаний) и
в возможности его утонения путём
увеличения частоты колебаний. Это
в свою очередь приводит к уменьше-
уменьшению толщины температурного или
концентрационного пограничного слоя
и увеличению тем самым градиентов
темп-ры или концентрации, опреде-
определяющих скорость переноса массы
или тепла.
В газах Т. в у. п. имеет место при
горении в ультразвуковом поле, в про-
процессах УЗ-вой сушки, при химико-
технологич. процессах, протекающих
в жидкой фазе. В жидкостях Т. в у. п.
способствует ускорению процессов
смешения, перегонки или диффузии
(экстракция, пропитка, сорбция, кри-
кристаллизация, растворение, УЗ-вая де-
дегазация).
Интенсифицирующее действие аку-
акустич. колебаний на Т. в у. п. прояв-
проявляется начиная от яек-рых пороговых
значений звукового давления ркр.
В условиях свободной конвекции этот
порог определяется соотношением
двух сил, действующих на элемент
объёма среды: силы, связанной с аку-
акустич. потоком, и подъёмной силы.
Для тел простой формы (шар, цилиндр,
плоскость), для к-рых известны ана-
литич. выражения скорости акустич.
потоков, значения ркр могут быть
вычислены. Напр., для плоскости,
размер к-рой в направлении распро-
распространения волны много больше К/2
(К — длина волны), в случае теплооб-
теплообмена
где р — плотность среды, с — ско-
скорость звука, g — ускорение силы тя-
тяжести, Р — изотермич. сжимаемость,
То и Тж — темп-ры на поверхности
тела и в окружающей среде. В случае
массообмена справедлива та же ф-ла,
только разность темп-р заменяется
разностью концентраций, а изотермич.
сжимаемость — величиной, обратной
плотности среды.
При вынужденной конвекции (т. е.
при наличии внешнего потока) сте-
степень влияния акустич. колебаний на
процесс теплоотдачи определяется со^-
отношением между энергией звуково-
звукового поля и кинетич. энергией внешнего
потока, а также возможностью воз-
воздействия на гидродинамич. неустой-
неустойчивость последнего. В случае, когда
акустич. энергия сравнима с энергией
потока, Т. в у. н. идёт за счёт энер-
энергии звуковой волны. Если энергия
акустич. волны меньше энергии пото-
потока, то её влияние на тепломассообмен
осуществляется за счёт изменения
характеристик потока (интенсивности
и масштаба турбулентности) под дей-
действием акустич. колебаний, т. е. за
счёт энергии самого потока. В послед-
последнем случае акустич. энергия может
быть весьма незначительной и со-
составлять доли % от кинетич. энергии
потока, поэтому интенсификация про-
процессов в УЗ-вом поле возможна даже
при высоких скоростях внешнего по-
потока.
Например, при теплоотдаче от ци-
цилиндра в поперечном потоке относи-
относительное увеличение теплообмена под
действием звука (диаметр цилиндра
меньше Л/2) наблюдается не только
при малых Рейнольдса числах (Re<^
<1000), т. е. в условиях, близких к
естественной конвекции, но и при
развитом турбулентном потоке (Re =&
я& 8000—10 000), где имеет место уси-
усиление естественных вихрей акустич.
колебаниями. Ускорение процессов
Т. в у. п. зависит от интенсивности
звука и от скорости процесса в обыч-
обычных условиях (точнее, от превышения
рабочего уровня звукового давления
над пороговым), а также от ряда дру
гих факторов и может достигать 200—
300%. Как правило, для большинст-
большинства процессов уровень ркр составляет
120—130 дБ, поэтому интенсифици-
интенсифицирующее действие УЗ наблюдается при
достаточно высоких плотностях потока
акустич. энергии от 0,01—0,1 Вт/см2
и выше. Частотный диапазон, ис-
используемый при Т. в у. п., определя-
определяется гл. обр. необходимостью рабо-
работать в неслышимой области и вместе
с тем частотной зависимостью затуха-
затухания звука в среде. Обычно он лежит
в области высоких звуковых и низких
ультразвуковых частот A2—40
342
ТЕРАПИЯ
Лишь в случае использования акус-
акустических колебаний для воздейст-
воздействия на гидродинамическую неустой-
неустойчивость потоков применяются сравни-
сравнительно низкие частоты килогерцевого
диапазона.
Ввиду сложности математич. опи-
описания процессов Т. в у. п. исследо-
исследования их проведены гл. обр. в экспе-
экспериментальном плане, получены за-
зависимости скорости процессов от раз-
различных факторов (наиболее полные
данные получены для теплообмена и
дегазации жидкостей). Процессы Т. в
у. п. описывают с помощью критерия
Нуссельта Nu. Он характеризует кон-
конвективный тепломассообмен и пред-
представляет собой отношение имеющей ме-
место в действительности плотности пото-
потока тепла или массы к соответствующей
плотности потока, к-рая была бы в
условиях чистой тепло- или массопро-
водности. Наиболее полные данные по
зависимости Nu от параметров звуко-
звукового поля, формы поверхности раздела,
характеристик среды, гидродинамич.
параметров внешнего потока получе-
получены для процессов теплообмена. При
этом аналитич. зависимости имеют-
имеются лишь для нек-рых частных случаев
применительно к телам простой фор-
формы, Для цилиндра и шара (dCK)
Nu = AvJY'ZiifD,
где v0 — амплитуда колебательной
скорости частиц в звуковой волне,
D — коэфф. диффузии при массопе-
реносе и коэфф. температуропровод-
температуропроводности при теплообмене, А — коэффи-
коэффициент массообмена; для шара Л = 2,4,
а для цилиндра А = 1,66.
При интенсификации процессов Т.
в у. п. в газовой фазе применяются
В основном газоструйные излучатели
либо используется возбуждение ко-
колебаний внешним потоком в резона-
резонаторах (как это имеет место в свистках),
помещаемых на теплообменной по-
поверхности. В случае работы в жид-
жидкостях используются магнитострик-
ционные преобразователи, пьезоэлек-
пьезоэлектрические преобразователи и жидко-
жидкостные свистки. Наибольшее распро-
распространение получил Т. в у. п. в хими-
химической (экстракция, перемешивание)
и в металлургической (дегазация рас-
расплавов) промышленности.
Лит.: На коряков В. и др., Тепло-
и масеообмен в звуковом попе, Новоеиб.,
1970; Б узник В. М., Интенсификация
теплообмена в судовых установках, Л.,
1969; Физические основы ультразвуковой
технологии, М., 1970, с. 253—336, 515—78,
579—640. Ю. Я. Борисов.
ТЕРАПИЯ ультразвуко-
ультразвуковая — лечение и профилактика за-
заболеваний человека с помощью УЗ.
Терапевтпч. действие УЗ на организм
человека обусловлено совместным дей-
действием ряда факторов: механич. ко-
колебаний ткани, эффектов физико-хм-
мич. характера, а также тепла, вы-
выделяющегося при поглощении в тка-
ткани УЗ-вой энергии (см. Действие
Ультразвуковой 1
излучатель для 1
терапевтических 1<»
целей: i — квар- ?
2 — металличе- ' |js§
екая резонансная
накладка; 3 —
I
щр
\. N
г ^з
задний электрод; 4 — корпус; 5 — при-
прижимная пружина; 6— изолирующая втул-
втулка; 7 — кабель.
ультразвука на биологические объекты).
УЗ является своеобразным катали-
катализатором, ускоряющим установление
равновесного с физиологич. точки
зрения состояния организма, т. е.
здорового состояния. Так, озвучива-
озвучивание здоровых тканей при терапевтич.
УЗ-вых дозах не приводит к столь
заметному изменению в обмене ве-
веществ, к-рое наблюдается при воз-
воздействии на воспалённые ткани. Та-
Таким образом, УЗ оказывает влияние в
основном на больные, а не на здоро-
здоровые ткани.
Для УЗ-вой Т. обычно пользуются
УЗ-выми излучателями пьезоэлектрич.
типа (рис.) мощностью до 20 Вт; в ка-
качестве пьезоэлемента в них применя-
применяются кварцевые или пьезокерамич.
пластины площадью 1—10 см2, рабо-
работающие на резонансе по толщине.
Введение УЗ в организм человека
производится либо путём непосред-
непосредственного контакта излучателя с по-
поверхностью кожи больного, либо че-
через контактную среду — воду, при
этом излучатель и объект облучения
погружаются в ванну с водой. В пер-
первом способе для обеспечения надёж-
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРИЁМНИКИ
343
ного акустич. контакта между излу-
излучателем и объектом применяется кон-
контактное вещество (напр., вазелиновое
масло).
При УЗ-вой Т. очень важно пра-
правильно выбрать параметры облуче-
облучения: частоту, интенсивность УЗ, дли-
длительность воздействия, скважность,
если воздействие производится в им-
импульсном режиме, и способ проведе-
проведения процедуры (вид контактной среды,
положение излучателя относительно
¦больного и т. д.). Обычно в физио-
терапевтич. практике пользуются час-
частотой 0,8—2,7 МГц. При более низ-
низких частотах существенным становит-
становится расхождение УЗ-вого пучка, т. к.
нарушается требуемое для лучевого
распространения соотношение длины
волны и размеров излучателя (см.
Геометрическая акустика). При бо-
более высоких частотах вследствие воз-
возрастающего поглощения УЗ умень-
уменьшается толщина слоя, в к-ром УЗ
оказывает эффективное действие. Ин-
Интенсивность УЗ обычно меняется
в пределах ОД — 1 Вт/см2, длитель-
длительность процедуры составляет 3—10 мин.
При такой дозировке в тканях не
возникает опасных необратимых из-
изменений. Курс лечения состоит из
10—15 процедур. Применяется как
непрерывный, так и импульсный ре-
режим облучения; последний позволя-
позволяет использовать несколько более вы-
высокие интенсивности УЗ без опасности
перегрева тканей. Скважность импуль-
импульсов обычно составляет 2—10.
При ряде заболеваний УЗ-вая Т.
обеспечивает полное излечение или
значительно улучшает состояние боль-
больного. Наиболее благоприятные ре-
результаты УЗ-вая Т. даёт при ра-
радикулитах, невритах, растяжениях,
воспалительных процессах, язвенной
болезни желудка, заболеваниях су-
суставов (ревматизм, артрит). УЗ на-
нашёл применение для лечения нек-рых
глазных болезней, напр. частичной
атрофии зрительного нерва и пигмент-
пигментной дегенерации сетчатки.
К УЗ-вой Т. можно отнести и лече-
лечение ряда заболеваний человека мето-
методом ингаляции с использованием аэро-
аэрозолей, создаваемых путём УЗ-вого
распыления лекарственных средств.
Такие аэрозоли обладают весьма цен-
ценными для Т. характеристиками: плот-
плотность их приблизительно на поря-
порядок больше, чем плотность аэрозо-
аэрозолей, полученных с помощью пневма-
тич. ингаляторов, соответственно воз-
возрастает концентрация лекарственных
веществ и сокращается время ингаля-
ингаляции. Средний размер частиц аэрозо-
аэрозоля весьма мал, он зависит от частоты
УЗ и поэтому его можно контролиро-
контролировать (напр., в пределах от 0,1 до
10 мкм); несложно также точно дози-
дозировать количество аэрозоля. Потеря
лекарств в УЗ-вых ингаляторах нич-
ничтожна, биологич. активность их под
действием УЗ не меняется. УЗ-вые
ингаляторы обычно основаны на
принципе распыления в фонтане с ис-
использованием пьезокерамич. фокуси-
фокусирующих излучателей. Производитель-
Производительность индивидуальных УЗ-вых ин-
ингаляторов составляет до 1,5 см3 ле-
лекарственных веществ в мин, а коллек-
коллективных — до 10 см3 в мин.
Лит.: Сперанский А. П., Р о к и-
тянский В. И., Ультразвук и его ле-
лечебное применение, М., 1970; Байер В.,
Д ё р н е р Э., Ультразвук в биологии и ме-
медицине, пер. с нем., Л.,1958; БергманЛ.,
Ультразвук и его применение в науке
и технике, пер. с нем., М., 1957; М а т а у-
ш е к И., Ультразвуковая техника, пер.
с нем., М., 1962; М а р м у р Р. К., Ультра-
Ультразвуковая терапия и диагностика глазных
заболеваний, К., 1974. Л. Р. Гаврилов.
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРИЁМНИКИ
ультразвука — приёмники, дей-
действие к-рых основано на преобразо-
преобразовании энергии УЗ-врй волны в теп-
тепловую в результате её поглощения.
Создав условия, при к-рых выделяю-
выделяющееся в нек-ром объёме УЗ-вого поля
тепло яе будет рассеиваться из-за
теплопроводности, по величине из-
изменения его темп-ры за определён-
определённый промежуток времени можно су-
судить об интенсивности звука. Как
правило, Т. п. применяются для из-
измерения интенсивности УЗ в жидко-
жидкостях.
Схема простейшего Т. п. показана
на рис. 1. УЗ-вая волна проходит
через тонкую «прозрачную» для УЗ
мембрану 6, отделяющую жидкость
2 от сильно поглощающей УЗ среды
4, помещённой в калориметр с хорошей
тепло- и звукоизоляцией, напр, в со-
сосуд Дьюара 3. Повышение темп-ры
среды от ti до ?2 за время т, на к-рое
включается источник УЗ, измеряют
термометром, термопарой 7 или тер-
мистором в градусах (т—в с).
Среднюю интенсивность УЗ / в
Вт/см2 определяют по ф-ле:
l=C-V?(ti-tl)/zS,
344
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРИЁМНИКИ
где V — объём сосуда Дьюара в см3,
С — удельная теплоёмкость поглоща-
поглощающей жидкости в Дж/г-град, р —
её плотность в г/см3, S — либо пло-
площадь сечения сосуда Дьюара, либо
Рис. 1. Измерение ин-
интенсивности ультра-
ультразвука по нагреву жид-
жидкости в сосуде Дью-
Дьюара: 1 — иалучатель
ультразвука; g — жид-
жидкость; з — сосуд Дью-
g ара; 4 — поглощающая
среда; 5 — дополни-
дополнительный поглотитель
•' (вата); 6 — звукопрозрачная
мембрана; -7 — нагреваемый
спай термопары; g — спай
термопары, находящийся
при постоянной температу-
температуре; 9 — прибор, измеряю-
измеряющий эдс термопары (напр.,
потенциометр).
площадь излучающей поверхности ис-
источника УЗ (меньшая из этих площа-
площадей) в см2. Этот метод абсолютного
измерения интенсивности УЗ мало-
малочувствителен и поэтому применяется
лишь при большой интенсивности (от
единиц Вт/см2 и выше). Даже при
очень больших интенсивностях УЗ
(~100Вт/см2) за время порядка не-
5-J
в
Рис. 2. Схемы некоторых типов термо-
термоэлектрических приёмников. а — термо-
термоприёмник с поглощающей жидкостью: 1 —
спай термопары, 2 — поглощающая жид-
жидкость, з — корпус, 4 — звукопрозрачные
мембраны, отделяющие поглощающую
жидкость от окружающей среды; б — тер-
термоприёмник с твёрдым поглотителем: 1 —
спай термопары, 2 — твёрдый поглоти-
поглотитель, 3 — корпус; в — термоприёмник
с поглощающей подложкой: 1 — спай
термопары, 2 — подложка (резина), з —
корпус и держатель.
скольких секунд возрастание темп-ры
обычно не превышает нескольких гра-
градусов.
Калориметр существенно искажает
УЗ-вое поле, поэтому этот метод чаще
применяется для т. н. калориметрич.
определения интенсивности излучения
или суммарной акустич. мощности
излучателей ультразвука. Для изме-
измерений в звуковом поле применяются
малогабаритные Т. п. (рис. 2). Напр.,
термопару 1 (рис. 2, а), помещённую
в сильно поглощающую УЗ жидкость
2, отделяют от жидкости, в к-рой он
распространяется, двумя тонкими «про-
«прозрачными» для УЗ мембранами 4.
При этом тепло выделяется не только
из-за поглощения УЗ в жидкости,
но и в результате трения колеблю-
колеблющейся жидкости о неподвижный спай
термопары; чувствительность такого
Т. п. невелика. Более чувствительны
Т. п. в виде термопары или термистора
с твёрдым поглотителем ¦— каучук,
резина, фторопласт (рис. 2, 6). Такой
Т. п. может быть сделан достаточно
малого размера. Спай термопары 1
можно расположить и на поглощающей
подложке 2 (рис. 2, е). Для повышения
чувствительности этих Т. п. увеличи-
увеличивают число приёмных спаев, включая
последовательно большое количество
термопар. Для измерения абсолютных
значений интенсивности малогабарит-
малогабаритные Т. п. нуждаются в калибровке.
Чувствительность Т. п. зависит от
частоты УЗ, поскольку его поглощение
убывает с уменьшением частоты. Поэ-
Поэтому в области средних, а тем более
низких частот Т. п. не могут конкури-
конкурировать с существенно более чувстви-
чувствительными пьезоэлектрич. приёмника-
приёмниками (см. Пьезоэлектрический преобра-
преобразователь). Минимально измеримая
Т. п. интенсивность звука в области
среднего УЗ-вого диапазона частот ~
десятых—сотых долей Вт/см2. Недо-
Недостаток нек-рых конструкций Т. п. —
зависимость тепловых характеристик
и, следовательно, режима работы и
чувствительности Т. п. от теплопро-
теплопроводности жидкости, в к-рой проводит-
проводится измерение. Инерционность Т. п.
велика, что сглаживает флуктуации
интенсивности УЗ, возникающие осо-
особенно при больших его интенсивно-
интенсивностях.
В области нелинейных процессов
(очень высокая интенсивность УЗ,
наличие кавитации) Т. п. обладают
определённым преимуществом перед
пьезоэлектрич. приёмниками звуко-
звукового давления, т. к. позволяют изме-
измерять суммарную интенсивность. На
Т. п. не влияет электромагнитная на-
наводка от возбуждающего излучатель
напряжения, т. к. даже при электрич.
измерении разности темп-р оно про-
проводится либо на постоянном токе,
ТОЛЩИНОМЕР
345
либо на частоте, отличной от частоты
УЗ.
Лит.: Матаушек И., Ультразвуко-
Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ко-
Колесников А. Е., Ультразвуковые из-
измерения, М., 1970. Л. К. Зарембо.
ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ ультразву-
ультразвуковой — прибор для обнаружения
мелких отверстий в сосудах со сжатым
газом, действие к-рого основано на
регистрации УЗ-вого сигнала, воз-
возникающего при истечении турбулент-
турбулентной струи. Как дозвуковые, так
и сверхзвуковые высокоскоростные
струи являются источниками интен-
интенсивного акустич. излучения, обуслов-
обусловленного несколькими механизмами
звукообразования. Излучение турбу-
турбулентной части струи, характерное для
любых высокоскоростных струй, имеет
сплошной спектр со слабо выраженным
максимумом в области Струхаля чисел
Sh = 0,2—0,3 (Sh = fd/u, где / —
частота турбулентных пульсаций, рав-
равная частоте излучаемого звука, d —
диаметр отверстия, и — скорость ис-
истечения струи). Частота максимума
излучения повышается с уменьшением
d и с увеличением и, т. е. с увеличе-
увеличением перепада давлений Рп = Р/Ро
(Р — давление в сосуде, Ро — дав-
давление в окружающей среде) и темп-ры
струи. В сверхзвуковых струях наря-
наряду с шумовым излучением турбулент-
турбулентной части уже при сравнительно
небольших Рп наблюдается излуче-
излучение дискретного тона, частота /^ к-рого
равна:
, е°
ld 2dVPB- 1,9
(с0 — скорость звука в среде), а также
дополнительное, более мощное излу-
излучение шума, связанное с распростра-
распространением пограничных возмущений и
заметно усиливающееся при больших
Рп-
Для всех механизмов звукообра-
звукообразования в струе характерна обратная
пропорциональность частоты диамет-
диаметру отверстия. Поэтому для мелких
отверстий (rfs;0,l — 1 мм) частоты из-
излучения лежат в области УЗ D0—
120 кГц). В случае некруглых от-
отверстий частота зависит от наимень-
наименьшего поперечного размера и от ряда
других факторов, в частности от ше-
шероховатости стенок отверстия. Аку-
Акустич. мощность при истечении газа
из малых отверстий невелика, она не
превышает сотых долей Вт. Поэтому
уровень интенсивности УЗ-вого сиг-
сигнала, принимаемого Т. на расстоянии
~1 м от отверстия, составляет обычно
40—60 дБ. Т. могут применяться для
обнаружения утечек любых газов и
пара, находящихся под давлением от
2 до нескольких сотен атм.
Блок-схема одного из Т. показана
на рисунке. УЗ-вой сигнал воспри-
воспринимается электроакустическим пре-
преобразователем 1, напр, пьезоэлект-
рич. приёмником УЗ со сферич. чув-
Блок-схема ультразвукового течеиекате-
ля: 1 — электроакустический преобразо-
преобразователь; 2 — рефлектор; з — электрон-
электронный усилитель; 4 — детектор; S — инди-
индикатор.
ствительным пъезоэлементом. Далее
электрич. сигнал усиливается уси-
усилителем 3, детектируется и подаётся
на индикатор 5 (стрелочный прибор,
телефон и т. п.). С целью повышения
уровня исходного сигнала и возмож-
возможности определения направления его
прихода приёмник помещается в
акустич. рефлектор 2, напр, парабо-
параболической формы. Благодаря приме-
применению резонансной схемы усилителя
Т. может работать в условиях шумно-
шумного помещения. УЗ-вой Т. позволяет
обнаруживать в газонаполненных ма-
магистралях трещины шириной более
10 мкм на расстояниях до 6—8 м.
Подобные Т. используются и для об-
обнаружения отверстий в сосудах с по-
пониженным давлением с расстояния
1 м.
Лит.: Покора И. Н., Акустический
индикатор для обнаружения повреждений
в системах, работающих под давлением,
«Акустика и ультразвуковая техника»,
1970, в. 4. Ю. Я. Борисов.
ТОЛЩИНОМЕР ультразву-
ультразвуковой — устройство для измерения
с помощью УЗ (при одностороннем
доступе) толщины листов, лент, сте-
стенок полых изделий (трубы, баллоны),
а также для обнаружения нек-рых
типов дефектов — нарушения пайки
или склейки в листовых соединениях,
зон коррозионного поражения на не-
недоступных для осмотра поверхностях
и др.; представляет собой разновид-
разновидность УЗ-вого дефектоскопа. В резо-
резонансных Т. используется явление ре-
резонанса, возникающего при совпаде-
совпадении частоты вводимых УЗ-вых колеба-
346
ТРАВЛЕНИЕ
ний с частотой собственных колебаний
изделия в контролируемом сечении.
В импульсных Т. измеряется время
прохождения УЗ-вых импульсов до
противоположной стенки изделия и об-
обратно к пьезоэлектрич. преобразова-
преобразователю, излучающему и принимающему
УЗ-вые волны. Подробнее о принципе
действия Т. см. Дефектоскопия.
Т. применяются как в виде ручных
переносных приборов, так и в виде
автоматизированных установок, встро-
встроенных в технологич. производствен-
производственный поток.
ТРАВЛЕНИЕ — химич. обработка,
обычно растворами кислот (серной,
соляной и др.), твёрдых материалов
для изменения вида их поверхности
или для удаления окислов с металлич.
изделий. Введение УЗ-вых колебаний
в травильные растворы значительно
ускоряет процесс Т. Подробнее см.
Очистка.
ТРЕНИЕ под действием
ультразвука. Трение — меха-
иич. сопротивление, возникающее
в плоскости касания двух соприка-
соприкасающихся тел при их относительном
перемещении. Сила сопротивления F,
направленная противоположно от-
относительному перемещению данного
тола, наз. силой трения; она
зависит от коэфф. сухого трения [х,
силы Р, с к-рой одно тело прижимает-
прижимается к другому, и других факторов. На
преодоление силы трения затрачива-
затрачивается определённая работа.
Если к.-л. способом в одном
из соприкасающихся тел возбудить
УЗ-вые колебания с частотой /, то си-
сила трения уменьшается; соответствен-
соответственно за счёт энергии УЗ-вых колебаний
уменьшается и работа на преодоле-
преодоление трения. Возможны два случая
ориентации колебаний. Первый (рис.
1, а) — когда колебательные смеще-
смещения | ориентированы перпендикулярно
к плоскости соприкосновения тел, а
следовательно, и направлению ско-
скорости их относительного перемещения
и. По мере увеличения амплитуды
УЗ-вых колебаний \т возрастает ам-
амплитуда колебательного ускорения
Bя;/J?т, а также колебательная сила,
амплитуда к-рой Nm. Если величина
Nm превосходит силу Р, то возникает
периодич. отрыв соприкасающихся тел
друг от друга. Сила трения при этом
действует не всё время, а только в те
доли периода колебаний Т = 1//, ког-
когда тела соприкасаются. Можно счи-
считать, что в этих условиях имеет место
эффективная сила трения F', величина
к-рой меньше F. Если Nm^>P, то
эффективная сила трения стремится
к нулю.
Во втором случае (рис. 1, 6) ко-
колебания ориентированы параллельно
плоскости соприкосновения тел и по-
Че-
///////У///////////
б
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая направ-
направление перемещения тела и ориентацию
УЗ-вых колебаний.
стояннои скорости v, поэтому контакт
тел не прерывается. Направление
УЗ-вого смещения в течение одной
половины периода совпадает с нап-
направлением движения тела, а в течение
другой половины — противоположно
ему. Если амплитуда колебательной
скорости %m = 2n/gm<y, то при сло-
сложении скоростей (рис. 2, а) вектор
суммарной скорости vc всё время сов-
совпадает с направлением движения тела
и сила трения сохраняет своё направ-
направление и величину такими же, как и
в отсутствии УЗ. При |>у в тече-
течение части периода, равной 1/2Т—2ti
ИЪР
Рис. 2. Сложение колебательной скорости
| и постоянной скорости v и происходя-
происходящее при этом изменение силы трения FT
между соприкасающимися телами: а —
при и>|; б — при «<?.
'рис. 2, 6), вектор vc направлен в сто-
сторону, противоположную движению те-
тела, и, следовательно, сила трения ока-
оказывается направленной в ту же сто-
сторону, что и вызывающая движение тела
внешняя сила. Т. о., сила трения спо-
способствует движению тела, уменьшая
УЛЬТРАЗВУК В МЕТАЛЛУРГИИ
необходимую для этого внешнюю си-
силу. В этом случае также можно ввести
эффективную силу трения F'<^F,
причём F'^zF/n, где п = я/2-|/г? при
t>v.
Эти эффекты влияния УЗ-вых ко-
колебаний на трение могут использо-
использоваться для снижения трения, устра-
устранения заедания в осях приборов и др.
Снижением трения под воздействием
УЗ пользуются в промышленных про-
процессах, связанных с пластической де-
847
формацией твёрдых тел, напр. Iipi ВО-
лочении, прокатке, в процессах petl-
ния металла колеблющимся с УЗ-ИОЙ
частотой инструментом (см. Mtxaiiu-
ческая обработка), в УЗ-ВОЙ Хирур-
Хирургии и др.
Лит.: Харитонович М. В,, f) (>-
кин Г. И., Ультразвук в процессах пла-
пластической деформации металлов и оллшшп,
М., 1970; Северденко В. А., К Л у-
бович В. В., Степаненко А, II.,
Ультразвук и пластичность, Минем, 111711.
А. М. Мицкмнч.
У
УЗЕЛ — точка (линия, поверх-
поверхность), в к-рой амплитуда той или
иной величины (смещение, колебатель-
колебательная скорость, звуковое давление и
т. п.), характеризующей данную стоя-
стоячую волну, обращается в нуль или
принимает минимальное значение.
УЛЬТРАЗВУК В МЕТАЛЛУРГИИ
применяется для воздействия на ряд
технологич. процессов получения и
обработки металлов и сплавов, а так-
также для регулирования и контроля па-
параметров технологич. процессов, кон-
контроля качества металлопродукции и
для исследования строения и свойств
металлов. УЗ применяют при обога-
обогащении руд, в гидрометаллургич. про-
процессах, при рафинировании жидкого
металла, получении слитков и отли-
отливок, в процессах формоизменения ме-
металла при его обработке давлением,
при термич. и химико-термич. обра-
обработке, при очистке металлопродукции,
при получении изделий методами по-
порошковой металлургии. УЗ исполь-
используется также в процессах механиче-
механической обработки металлов, при поверх-
поверхностном упрочнении, сварке и пайке,
при нанесении покрытий.
Для воздействия на технологич.
процессы получения и обработки ме-
металлов применяется УЗ частотой
~20 кГц относительно высокой интен-
интенсивности (десятки Вт/см2), вызываю-
вызывающий необратимые изменения в облу-
облучаемой среде. Эти изменения в значи-
значительной степени связаны с нели-
нелинейными эффектами, возникающими
в поле мощного УЗ, испольвонапио
к-рого приводит к интенсификации
перечисленных процессов, улучшении!
качества металлопродукции и созда-
созданию у материала качественно iioiims
свойств.
В обогатительных процессах (при
разделении рудного сырья на кон-
концентрат с более высоким содержанием
ценных составляющих, чем в исход-
исходном сырье, и отходы, содержащие im:i-
можно меньшее количество этих со-
составляющих) УЗ может быть эффектив-
эффективно применён для эмульгирования реа-
реагентов, использующихся при флотации,
для очистки минеральных частиц от
поверхностных плёнок, размельчения
минералов, диспергирования частиц
в суспензиях, разрушения минерали-
минерализированных пен и коагуляции аэрозо-
аэрозолей. Использование УЗ при эмульги-
эмульгировании флотореагента позволяет су-
существенно снизить его расход и повы-
повысить при этом степень извлечения
металла из руды.
В гидрометаллургич. процессах
(извлечение ценных составляющих
из руды или концентрата в раствор,
т. н. выщелачивание, подготовка раст-
раствора к извлечению из него основного
компонента и выделение этого компо-
компонента в чистом виде) применение УЗ
интенсифицирует процессы выщела-
выщелачивания, экстракции, сорбции, раз-
разделения суспензий. Напр., воздей-
воздействие УЗ-вых колебаний на нек-рые
дроцессы выщелачивания минераль-
минеральных примесей сокращает продолжи-
348
УЛЬТРАЗВУК В МЕТАЛЛУРГИИ
тельность обработки исходного сырья
до 10—15 мин вместо нескольких ча-
часов, позволяет сделать процесс не-
непрерывным и проводить его без допол-
дополнительного подогрева раствора. При
фильтровании пульпы, полученной
в результате сернокислотного вы-
выщелачивания, периодич. наложение
УЗ-вых колебаний на фильтрующую
перегородку позволяет резко повысить
скорость фильтрования.
Воздействие мощного УЗ на обога-
обогатительные и гидрометаллургич. про-
процессы связано с возникновением в жид-
жидкой среде акустических течений и
кавитации, что вызывает перемеши-
перемешивание жидкости, её гомогенизацию,
ускоряет протекание процессов кон-
конвективной диффузии, оказывает влия-
влияние на температурное поле в среде.
На границе твёрдая — жидкая фаза
УЗ вызывает точечную эрозию твёр-
твёрдой поверхности, её очистку, раскры-
раскрытие микропор и др. эффекты, что мо-
может быть использовано для измель-
измельчения твёрдой фазы или изменения со-
состояния её поверхности. Эти действия
УЗ также во многом определяются
развитием в жидкости кавитации и
микропотоков, возникающих вблизи
любой неоднородности среды. Кроме
того, микропотоки существенно умень-
уменьшают толщину диффузионного слоя,
что приводит к интенсификации про-
процессов, где лимитирующим фактором
является скорость диффузии через
пограничный слой (см. Тепломассооб-
Тепломассообмен в ультразвуковом поле). В качест-
качестве источников УЗ в гидрометаллур-
гидрометаллургич. и обогатительных процессах при-
применяются гидродинамические излуча-
излучатели вихревого, щелевого и роторного
типа, а также (в основном для ла-
лабораторных экспериментов) магнито-
стрикционные преобразователи с из-
излучающими диафрагмами.
УЗ-вая обработка расплавленного
металла приводит к его дегазации,
г. е. к уменьшению количества раст-
растворённого газа в расплаве. При об-
обработке металлов УЗ в процессе их
кристаллизации происходит измель-
измельчение макро- и микрозёрен (рис. 1),
устранение зоны столбчатых кристал-
кристаллов, уменьшение степени неоднород-
неоднородности материала слитка по составу
(рис. 2). Следствием структурных из-
изменений в материале является улуч-
улучшение его механич. и технологич,
свойств, и прежде всего пластичности.
Рис. 1. Макроструктура контрольного (а)
и обработанного ультразвуком (б) слит-
слитков стали Х25Т. Уменьшено в 2 раза.
Так, напр., относительное удлинение
при испытании на растяжение образ-
образца из стали Х25Т после обработки
в процессе кристаллизации с приме-
применением УЗ увеличивается с 53 до 110.
Это изменение свойств частично со-
сохраняется в материале после деформа-
деформации и термообработки. УЗ может быть
эффективно использован для обработ-
Рис. 2. Кривые распределения концентра-
концентрации хрома в осях и междуосных простран-
пространствах дендритов стали ШХ15 в слитке,
обработанном ультразвуком (J), ив конт-
контрольном (г).
ки сплавов на основе алюминия, ме-
меди, железа, никеля. Наиболее целе-
целесообразно использовать УЗ-вую об-
обработку в таких технологич. процес-
процессах получения слитка, где имеет место
его последовательная кристаллизация
и объём затвердевшей в единицу вре-
времени жидкой фазы является относи-
относительно небольшим и приблизительно
постоянным. К таким процессам, в
частности, относятся непрерывная
разливка, вакуумный дуговой, элект-
электрошлаковый и электроннолучевой ме-
методы переплава, при к-рых получае-
получаемый слиток имеет ряд недостатков,
связанных с образованием крупно-
кристаллич. столбчатой структуры.
Подробнее см. Кристаллизация ульт-
ультразвуковая.
УЗ применяется также для полу-
получения плавильно-литейными метода-
методами, композиционных материалов из
несплавляемых в обычных условиях
компонентов (металлов, окислов и др.).
В этом случае УЗ используется для
введения частиц порошка упрочня-
упрочняющей фазы в расплав металла-мат-
металла-матрицы, их смачивания и равномерного
распределения по объёму слитка. Су-
Существенную роль в этих процессах
также играют кавитация и перемеши-
перемешивание расплава. Кроме того, УЗ явля-
является эффективным средством интен-
интенсификации процессов зонной очистки
металлов.
Введение УЗ высокой интенсивности
в металлы в твёрдом состоянии вызы-
вызывает увеличение плотности структур-
структурных несовершенств (дислокаций, ва-
вакансий), что в свою очередь изме-
изменяет свойства обрабатываемого ма-
материала и влияет на кинетику про-
протекания диффузионных превращений
и процессов пластической деформации.
Всё это в значительной мере опреде-
определяет возможность использования УЗ
при обработке металлов давлением,
при термич. и химико-термич. обра-
обработке металлов и сплавов. Примене-
Применение УЗ в процессах обработки метал-
металлов давлением позволяет снизить
энергетич. затраты, увеличить ско-
скорость процесса, повысить стойкость
инструмента, улучшить качество по-
поверхности изделий, а также осущест-
осуществить процесс деформации таких ма-
материалов, к-рые разрушаются при
обычных способах обработки давлени-
давлением (рис. 3). УЗ применяется в процес-
процессах волочения проволоки и труб,
прессования, штамповки, прокатки и
др. Механизм действия УЗ в процес-
процессах обработки металлов давлением
связан с уменьшением сил контактно-
контактного трения между инструментом и де-
деформируемым металлом и изменением
свойств последнего при суммарном воз-
воздействии знакопостоянных и знако-
знакопеременных напряжений. Примене-
Применение УЗ в процессах термич. и химико-
УЛЬТРАЗВУК В МЕТАЛЛУРГИИ
термич. обра-
обработки вызыва-
вызывает их ускоре-
ускорение и измене-
изменение свойств
металлов и
сплавов, под-
349
Рис. 3. Образ-
Образцы, полученные
при прессовании
висмута с ис-
использованием
радиальных ко-
колебаний матри-
матрицы (а) и в отсут-
отсутствии ультра-
ультразвука (б).
вергнутых воздействию ультразвука.
Обработка отожжённого металла УЗ
приводит к его упрочнению, де-
деформированного — к разупрочнению.
Так, воздействие УЗ-вых колебаний
частотой 20 кГц с амплитудой 15—
20 мкм в течение нескольких минут
на образцы отожжённой меди вызы-
вызывает повышение предела текучести
в 3 раза при снижении относитель-
относительного удлинения на 40%.
УЗ-вая обработка способствует уско-
ускорению процессов гомогенизирующего
и рекристаллизационного отжига, фа-
фазовых превращений. Например, в до-
эвтектоидных сталях УЗ вызывает
ускорение распада в перлитной и
бейнитной областях в несколько раз,
в заэвтектоидных сталях приводит к
интенсификации процессов выделения
и коагуляции карбидов. Использова-
Использование УЗ в процессах низкотемператур-
низкотемпературного отпуска, естественного и искус-
искусственного старения приводит к зна-
значительному сокращению времени про-
протекания процесса. Для алюминиевых
сплавов время старения сокращается
в 10—30 раз. УЗ может быть исполь-
использован для снятия внутренних напря-
напряжений. Так, отпуск в УЗ-вом поле
закалённой стали ХВГ при темп-ре
150 °С в течение 0,5 ч позволяет сни-
снизить внутренние напряжения почти
в 3 раза по сравнению с теми, к-рые
остаются после 2-часового отпуска
при 180 °С в отсутствии УЗ.
Наряду с изменением кинетики про-
процессов термич. обработки, УЗ-вые
колебания оказывают влияние на
структуру обработанных материалов.
Так, УЗ-вая обработка сталей в аус-
тенитной области уменьшает склон-
склонность к росту аустенитного зерна.
350
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Использование УЗ при химико-тер-
мич. обработке (цементации, азоти-
азотирования, борирования) приводит к
ускорению процесса или к увеличе-
увеличению толщины образующегося слоя.
Напр., воздействие УЗ при бориро-
вании стали 45 обеспечивает сокра-
сокращение затраты времени в 4—5 раз
и увеличение толщины слоя в 2—2,5
раза. Механизм влияния УЗ на про-
процессы термич. и химико-термич. об-
обработки связан с изменением тонкой
структуры металла. Под действием
УЗ увеличивается плотность струк-
структурных несовершенств, что приводит
к ускорению процессов диффузии.
Так, коэфф. диффузии углерода в же-
железе и никеле при УЗ-вом воздействии
возрастает в 3—4 раза.
Широкое практическое применение
в металлургии нашла УЗ-вая очистка.
Она обеспечивает удаление с поверх-
поверхности изделий различных плёнок, на-
нагаров, жировых и других отложений.
В порошковой металлургии УЗ-вые
колебания могут быть использованы
для получения и диспергирования по-
порошков, для интенсификации процес-
процессов очистки их поверхности, для прес-
прессования, спекания, пропитки жидким
металлом пористых изделий и для
проведения других процессов. Так,
УЗ-вой способ распыления расплавов
для приготовления порошков лишён
многих недостатков, присущих спо-
способам механич. дробления и пневма-
тич. распыления, химич. и электроли-
тич. методам диспергирования. В ча-
частности, использование УЗ-вого рас-
распыления даёт возможность получать
практически монодисперсный поро-
порошок с частицами сферической формы
(диаметром — 40 мкм при частоте УЗ
20кГц) без окисных плёнок на поверх-
поверхности. Этим методом можно изготав-
изготавливать порошки из сплавов и мягких
и вязких материалов.
Лит.: АгранатБ. А. ид р., Ультра-
Ультразвук в гидрометаллургии, М., 1969; Зе-
Зеки н Г. И., Ультразвуковая обработка рас-
расплавленного алюминия, М., 1965; Абра-
Абрамов О. В., Кристаллизация металлов в
ультразвуковом поле, М., 1972; Север-
д е н к о В. П., Клубович В. В., Сте-
паненко А. В., Обработка металлов
давлением с ультразвуком, Минек, 1973.
О. В. Абрамов.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕХНОЛО-
ТЕХНОЛОГИЯ — совокупность промышленных
тсхнологич. процессов и методов об-
обработки материалов, основанных на
использовании воздействия УЗ на
вещество и на характер протекания
физико-химич. процессов. В У. т. при-
применяется, как правило, УЗ значи-
значительной интенсивности, и действующие
факторы связаны с нелинейными эф-
эффектами в звуковом поле. В газах и
жидкостях к действующим факторам
Относятся акустические течения, вы-
вызывающие процессы тепломассообме-
тепломассообмена в ультразвуковом поле; существенную
роль играют и пондеромоторные силы
в звуковом поле. Основным действую-
действующим фактором в жидкости является
кавитация и связанные с ней каеи-
тационная эрозия, звукокапиллярный
эффект и другие явления. Большин-
Большинство технологич. процессов и методов
основывается на совместном дейст-
действии ряда факторов и явлений, возни-
возникающих в УЗ-вом поле.
К процессам У. т. в газах относят-
относятся коагуляция аэрозолей, низкотем-
низкотемпературная сушка, горение в ультра-
ультразвуковом поле. В жидкостях — это
в первую очередь очистка, к-рая по-
получила наиболее широкое распрост-
распространение среди всех процессов У. т.,
а также травление, эмульгирование,
воздействие ультразвука на электрохи-
электрохимические процессы, диспергирование,
дегазация, кристаллизация. Процес-
Процессы УЗ-вой дегазации и диспергиро-
диспергирования в жидких металлах, а также воз-
воздействие УЗ на кристаллизацию ме-
металлов играют важную роль при ис-
использовании ультразвука в металлур-
металлургии; кавитация в жидких металлах
используется при УЗ-вой металли-
металлизации и пайке. УЗ-вые методы обработ-
обработки твёрдых тел основываются на не-
непосредственном ударном воздействии
колеблющегося с УЗ-вой частотой ин-
инструмента, а также на влиянии
УЗ-вых колебаний на процессы тре~
ния и пластической деформации. Удар-
Ударное воздействие УЗ используется при
размерной механической обработке
хрупких и твёрдых материалов с при-
применением абразивной суспензии и при
поверхностной обработке металлов,
выполняемой с целью их упрочне-
упрочнения. Снижение трения под действи-
действием УЗ используется для повышения
скорости резания; этот же эффект,
наряду с эффектом увеличения плас-
пластичности под действием УЗ, исполь-
используется в процессах обработки метал-
металлов давлением (волочение труб и про-
проволоки, прокатка). К методам У. т.
относится также УЗ-вая сварка, поз-
УПРУГИЕ ВОЛНЫ
351
воляющая сваривать металлич. эле-
элементы в микроэлектронике и прибо-
приборостроении, а также пластмассы, по-
полимерные плёнки и др. Методы У. т.
позволяют повысить эффективность
процесса, улучшить качество изде-
изделий, напр, в несколько раз ускорить
процесс электроосаждения металлов,
ускорить процесс и повысить степень
очистки деталей, улучшить структуру
металлич. отливок, получить более
мелкодисперсные, чем обычными ме-
методами, суспензии и эмульсии. В ря-
ряде случаев методы У. т. позволяют
решить технологич. задачи, практи-
практически не решаемые другими способа-
способами. К таким методам относятся: фа-
фасонная обработка хрупких материа-
материалов, пайка алюминия, получение
нек-рых сложных сплавов и т. д.
Недостатками У. т., ограничивающи-
ограничивающими в ряде случаев её применение, яв-
являются относительная сложность обо-
оборудования и дороговизна УЗ-вой энер-
энергии. И. П. Голямина.
УПРОЧНЕНИЕ ультразву-
ультразвуковое — обработка поверхности
металлического изделия с наложением
на инструмент УЗ-вых колебаний, в
результате к-рой поверхностный слой
приобретает повышенную твёрдость.
См. Поверхностная обработка ме-
металлов.
УПРУГИЕ ВОЛНЫ — упругие воз-
возмущения, распространяющиеся в твёр-
твёрдой, жидкой и газообразной сре-
средах. Напр., волны, возникающие в
земной коре при землетрясениях,
звуковые и УЗ-вые волны в жидко-
жидкостях, газах и твёрдых телах. При рас-
распространении У. в. в среде возникают
механич. деформации сжатия и сдви-
сдвига, к-рые переносятся волной из одной
точки среды в другую. При этом имеет
место перенос энергии упругой де-
деформации в отсутствии потока ве-
вещества (последний возникает только
в особых случаях — см. Акустичес-
Акустические течения). Всякая гармонич. У. в.
характеризуется амплитудой колеба-
колебательного смещения частиц среды и
его направлением, частотой колеба-
колебаний, длиной волны, фазовой и груп-
групповой скоростями, а также законом
распределения смещений и напряже-
напряжений по фронту волны.
В жидкостях и газах, к-рые обла-
обладают упругостью объёма, но не обла-
обладают упругостью формы, могут рас-
распространяться лишь продольные вол-
волны разрежения — сжатия, где коле-
колебания частиц среды происходят в на-
направлении распространения волны.
Фазовая скорость их с; = ~\/К/р, где
К — модуль всестороннего сжатия и
р — плотность среды. Пример таких
Направление распространения волны
liiiiil
iiiiiiii
iliitil
liiiiii
iiiiiiii
й Направлении смещения частиц
Исправление распространения волны
Направления смещения частый
а — движение частиц в продольной упру-
упругой волне; б — движение частиц в сдви-
сдвиговой волне.
У. в.— звуковые и УЗ-вые волны
в различных жидкостях и газах.
В однородной изотропной бесконеч-
бесконечно протяжённой твёрдой среде могут
распространяться У. в. только двух
типов: продольные и сдвиговые.
В продольных движение частиц па-
параллельно направлению распростра-
распространения волны (рис. а), а деформация
представляет собой комбинацию все-
всестороннего сжатия (растяжения) и
чистого сдвига. В сдвиговых волнах
движение частиц перпендикулярно
направлению распространения волны
(рис. б), а деформация является чис-
чистым сдвигом. В безграничной среде
распространяются продольные и сдви-
сдвиговые волны трёх типов: плоские,
352
УПРУГИЕ ВОЛНЫ
Постоянные упругости
и сдвиговых волн
Среда
Воздух
Алюминий
г,°с
20
25
32,5
20
20
20
20
20
20
20
20
и скорости продольных
в различных средах
Р,
10-' кг/м»
1,29-10-»
0,997
0,895
2,70
7,80
11,4
8,10
2,60
2,41
1,18
0,90
К,
10-шН/м2
1,52- 10~s
0,223
0,179
7,24
15,59
4,35
10,94
3,78
3,55
0,582
10-^Н/м*
2,59
8,04
0,568
3,65
3,20
2,33
0,148
км/с
0,343
1,497
1,425
6,26
5,85
2, 16
4,43
5,57
5,34
2,67
1,48
км/с
3,08
3,23
0.7 0
2, 12
3,52
3, 12
1,12
сферические и цилиндрические. Их
особенность — независимость фазовой
и групповой скоростей от амплитуды
и геометрии волны. Фазовая скорость
продольных волн в неограниченной
твёрдой среде сг — У(К-\- 4/3ц)/р,
СДВИГОВЫХ — С; = ~l/(J,/p, ГДв (Л — МО-
дуль сдвига. Величины q, ct для
разных сред колеблются в пределах
от долей км/с до 10 км/с (см. табл.).
На границе твёрдого полупростран-
полупространства с вакуумом, газом, жидкостью
или с другим твёрдым полупростран-
полупространством могут распространяться упру-
упругие поверхностные волны, являющиеся
комбинацией неоднородных продоль-
продольных и сдвиговых волн, амплитуды
к-рых экспоненциально убывают при
удалении от границы.
В ограниченных твёрдых телах
(пластина, стержень), представляю-
ющих собой твёрдые волноводы, рас-
распространяются нормальные волны,
каждая из к-рых является комбина-
комбинацией нескольких продольных и сдви-
сдвиговых волн, распространяющихся
под острыми углами к оси волновода
и удовлетворяющих (в совокупности)
граничным условиям на поверхно-
поверхности волновода (см. Нормальные волны
в пластинах и стержнях). Число п
нормальных волн, к-рые могут рас-
распространяться в пластине или стерж-
стержне, определяется их толщиной или
диаметром d, частотой со и модулями
упругости среды. При увеличении
cod число нормальных волн возраста-
возрастает, и при cod^oo re^oo. Нормальные
волны характеризуются дисперсией
фазовой и групповой скоростей (см.
Дисперсия скорости звука), к-рые за-
зависят от cod. От величины cod сильно
зависит также распределение смеще-
смещений и напряжений в волне по попе-
поперечному сечению волновода.
В бесконечной пластине существуют
два типа нормальных волн: Лэмба
волны и сдвиговые волны. Плоская
волна Лэмба характеризуется двумя
составляющими смещений, одна из
к-рых параллельна направлению рас-
распространения волны, другая перпен-
перпендикулярна граням пластины. В плос-
плоской сдвиговой нормальной волне сме-
смещения параллельны граням пласти-
пластины и одновременно перпендикулярны
направлению распространения вол-
волны. В цилиндрич. стержнях могут
распространяться нормальные волны
трёх типов: продольные, изгибные
и крутильные.
В анизотропных средах (кристал-
(кристаллах) свойства У. в. зависят от типа
кристалла и направления распрост-
распространения (см. Распространение ульт-
ультразвука в кристаллах). В частности,
чисто продольные и чисто сдвиговые
волны могут распространяться толь-
только в кристаллах определённой сим-
симметрии и по определённым направ-
направлениям, как правило, совпадающим
с направлением кристаллографич.
осей. В общем случае в кристалле по
любому направлению всегда распро-
распространяются три волны с тремя раз-
различными скоростями: одна квазипро-
квазипродольная и две квазипоперечные, в
к-рых преобладают соответственно
продольные или поперечные смеще-
смещения. При распространении У. в.
в кристаллах может возникать ряд
специфич. эффектов: различие в нап-
направлениях фазовой и групповой ско-
скоростей, усиление ультразвука за счёт
взаимодействия ультразвука с элект-
электронами проводимости, вращение пло-
плоскости поляризации волн и др.
УРОВНЕМЕР
353
В любой упругой среде из-за внут-
внутреннего трения и теплопроводности
распространение У. в. сопровожда-
сопровождается её поглощением (см. Поглощение
звука). Если на пути У. в. имеется
к.-л. препятствие (отражающая стен-
стенка, вакуумная полость и т. д.), то
происходит дифракция волн на этом
препятствии. Простейший случай
дифракции — отражение и прохож-
прохождение У. в. на плоской границе двух
пол упростр анств.
В У. в. механич. напряжения про-
пропорциональны деформациям (закон
Гука). Если амплитуда деформации
в твёрдом теле превосходит предел
упругости материала, в волне появ-
появляются пластич. деформации, и её
называют упруго-пластич. волной
(аналогом таких волн в жидкостях и
газах являются волны конечной ампли-
амплитуды). Скорость их распространения
зависит от величины деформации. При
убывании (снятии) напряжения возни-
возникает т. н. волна разгрузки,
скорость распространения к-рой зави-
зависит как от упруго-пластич. свойств
материала, так и от формы возмуще-
возмущения. В стержне, по к-рому прошла
упруго-пластич. волна, сохраняются
остаточные деформации; по их распре-
распределению можно судить о дииамич. ме-
механич. характеристиках материала.
Диапазон частот У. в. простирает-
простирается от малых долей Гц до 1012—1013 Гц.
Область применения У. в. в физике
и технике чрезвычайно широка. Так,
самые низкочастотные У. в. исполь-
используются в сейсмологии (для регистра-
регистрации землетрясений) и в сейсмораз-
сейсморазведке. У. в. килогерцевого диапазо-
диапазона применяются в гидролокации и
при исследованиях океана. У. в. уль-
ультра- и гиперзвукового диапазонов
используются в физике для определе-
определения всевозможных параметров твёр-
твёрдых, жидких и газообразных сред.
Кроме того, УЗ находит широкое
применение в акустоэлектронике,
в промышленности, медицине и др.
См. также Гиперзвук, Ультразвук.
Лит.: Ландау Л. Д., ЛифшицЕ.М.,
Теория упругости, 3 изд., М., 1965
(Теоретич. физика, т. 7); К о л ь с к и й Г.,
Волны напряжения в твердых телах, пер.
с англ., М., 1955; Бергман Л., Ультра-
Ультразвук и его применение в науке и технике,
пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Физическая
акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ.,
т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 1, 2, 6; т. 4, ч. А,
1969, гл. 1; Б р е х о в с к и х Л. М., Вол-
Волны в слоистых средах, М., 1957, гл. 1;
Викторов И. А., Физические основы
применения ультразвуковых волн Рэлея и
Лэмба в технике, М., 1966. И. А. Викторов.
УРОВЕНЬ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕ-
ДАВЛЕНИЯ — выраженное по шкале деци-
децибел значение отношения величины дан-
данного звукового давления к исходному,
условно пороговому звуковому давле-
давлению р0 = 2-10~5 Па. Число децибел
У. з. д. N = 201g(p/p0), где р — сред-
среднеквадратичное значение данного зву-
звукового давления.
УРОВЕНЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУ-
ЗВУКА — то же, что уровень звукового
давления.
УРОВНЕМЕР ультразвуко-
ультразвуковой — прибор, предназначенный для
измерения высоты уровня жидко-
жидкостей и сыпучих тел с помощью
УЗ. Действие большинства УЗ-вых
У. основано на измерении времени
распространения УЗ-вых волн от пре-
преобразователя до контролируемой по-
поверхности жидкости и обратно при
известной (или измеряемой) скорости
звука в среде. Измерения могут про-
проводиться либо в режиме непрерывно-
непрерывного излучения с . использованием фа-
фазового метода определения расстоя-
расстояния, либо в режиме излучения моду-
модулированных сигналов. Наибольшее
распространение получили У. с им-
импульсной модуляцией. Длительность
зондирующих импульсов не должна
превышать удвоенного времени рас-
распространения УЗ от преобразователя
до контролируемого уровня при ми-
минимальном расстоянии до этого уров-
уровня. В У. с импульсными сигналами
используется УЗ-вая локация уровня,
основанная на отражении звука от
границы сред с различным волновым
сопротивлением, при этом сигнал мо-
может приходить к границе раздела
через газ или снизу (через жидкость).
Для сыпучих тел и жидкостей с боль-
большим затуханием УЗ применяется зон-
зондирование через газ (рис. 1) в диапа-
диапазоне частот 10—200 кГц; при этом
максимальное расстояние до контро-
контролируемого уровня жидкости может
достигать десятков м. В таком У.
излучающий 2 и приёмный 3 преоб-
преобразователи (или один преобразова-
преобразователь, выполняющий функцию излу-
излучателя и приёмника), образующие
так называемый датчик, располагаются
в верхней части ёмкости с контро-
контролируемым продуктом 1. Вторичный
блок У. включает в себя генератор
зондирующих импульсов 4, усили-
354
УРОВНЕМЕР
|—
м
v
5
1
[
1
s
1
7
гель 5 принятых сигналов и схему
измерения времени 6. Основной источ-
источник погрешностей при таком способе
измерений заключается в нестабиль-
нестабильности скорости распространения УЗ
в газовой среде. Включение в схему
прибора опорного (реперного)канала
для компенсации изменения скорости
частично исключает эту погрешность;
при этом остаётся погрешность, обус-
обусловленная наличием градиентов ско-
скорости УЗ по высоте ёмкости. Нек-рое
затруднение представляет создание
эффективных излучателей ультразву-
ультразвука для газовой среды. В электростати-
электростатических или пьезоэлектрических преоб-
преобразователях с использованием из-
гибных мод колебаний излучающего
элемента удаётся достичь удовлетво-
'""* " ' Рис. 1. Блок-схема
ультразвукового
уровнемера с зон-
зондированием через
газ: 1 — контроли-
контролируемая жидкость;
г — излучающий
преобразователь;
3 — приёмный пре-
преобразователь; 4 — генератор зондирующих
импульсов; 5 — усилитель; 6 — схема из-
измерения времени; 7 — индикаторное
устройство.
рительного согласования с импедан-
импедансом акустическим среды. Приёмники,
как правило, применяют пьезоэлект-
пьезоэлектрические.
Для измерения уровня жидкости
с небольшим коэфф. затухания УЗ
зондирование осуществляется через
жидкость в диапазоне частот от сотен
кГц до нескольких МГц. Преимущест-
Преимущество зондирования через жидкость за-
заключается в лучшем согласовании пре-
преобразователей (магнитострикционных
или пьезоэлектрических) со средой,
что позволяет использовать маломощ-
маломощные генераторы и усилители со срав-
сравнительно небольшим коэфф. усиле-
усиления. Зто обстоятельство особенно важ-
важно при измерении уровня взрывоопас-
взрывоопасных сред и при необходимости обес-
обеспечения высокой надёжности аппара-
аппаратуры. Блок-схема аппаратуры с зон-
зондированием через жидкость аналогич-
аналогична схеме У. с зондированием через газ,
а основная погрешность измерений
здесь также определяется вариацией
скорости УЗ, связанной с изменением
темл-ры и состава жидкости.
УЗ-вые У. с зондированием уровня
жидкости но твердотельным волново-
волноводам (рис. 2) практически свободны от
дополнительной погрешности, обус-
обусловленной изменением свойств среды.
В них УЗ-вые волны возбуждаются
излучателем 2 в верхней части волно-
волновода 3 в виде узкой металлич. полосы
т
7
t
1
f
е
•г
9
Рис. 2. Блок-схе-
Блок-схема ультразвуко-
ультразвукового волноводно-
го уровнемера:
1 — контролируе-
контролируемая жидкость;
г — излучающий
преобразователь;
3 — излучающий "
волновод; 4 — приёмный волновод; 5 —
приёмный преобразователь; в — генератор
зондирующих импульсов; 7 — усилитель;
8 — схема измерения времени; 9 — инди-
индикаторное устройство.
или стержня и распространяются
вниз к поверхности жидкости 1, из-
излучаются в неё и попадают на такой
же волновод 4. Распространяясь по
нему, УЗ достигает приёмного преоб-
преобразователя 5 и превращается в элект-
рич. сигналы, поступающие далее на
вход приёмного усилителя 7. Для
эффективного излучения УЗ исполь-
используются симметричные или антисим-
антисимметричные изгибные нормальные вол-
волны (см. Иормалъные волны в пластин-
пластинках и стержнях), к-рые имеют боль-
большую компоненту смещения, перпен-
перпендикулярную к поверхности волновода.
е
t[
7
¦
8
5
ft
Рис. 3. Блок-схе-
Блок-схема ультразвукового
фазочувствительно-
го уровнемера: 1 —
контролируемая
жидкость; 2 — из-
излучающий преобра-
преобразователь; 3 — вол-
волновод; 4 — приём-
приёмный преобразователь; 5 — генератор непре-
непрерывных высокочастотных колебаний; 6 —
усилитель; 7 — фазометр; 8 — индикаторное
устройство.
Фазовая скорость этих нормальных
волн больше скорости распростране-
распространения УЗ в жидкости.
УЗ-вые волноводные У. могут рабо-
работать и без излучения УЗ в жидкость
(рис. 3). В этом случае металлич.
волновод 3 выполняется в виде замк-
замкнутой петли. Излучающим преобра-
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
355
зователем 2 производится возбуждение
такой изгибной нормальной волны,
фазовая скорость к-рой меньше, чем
скорость УЗ в жидкости. При этом
условии жидкость представляет собой
не активную, а реактивную нагрузку и
фазовая скорость в контактирующем
с жидкостью участке волновода за-
заметно уменьшается из-за присоеди-
присоединённой массы жидкости. В конце вол-
волновода преобразователем 4 осущест-
осуществляется приём УЗ-вых волн, время
распространения к-рых по волноводу
В этих условиях оказывается завися-
зависящим от длины погружённого в жид-
жидкость участка волновода, т. е. от
высоты уровня жидкости.
Основным преимуществом УЗ-вых
У. является возможность их исполь-
использования для контроля как электро-
электропроводных, так и неэлектропровод-
неэлектропроводных жидкостей, в т. ч. криогенных,
взрывоопасных, агрессивных и ток-
токсичных. Отсутствие гальванич. свя-
связи элементов датчиков с контролируе-
контролируемой средой и возможность работы
при малых акустич. и электрич. мощ-
мощностях позволяют применять УЗ-вые
У. во взрывоопасных условиях, а
отсутствие подвижных механич. дета-
деталей датчиков У. приводит к увели-
увеличению надёжности аппаратуры. Точ-
Точность измерений составляет от 2 до
4%.
Для измерения уровня жидкостей
применяются также дискретные У.,
представляющие собой набор УЗ-вых
сигнализаторов уровня.
Лит.: Бабиков О. И., Контроль
уровня с помощью ультразвука, Л., 1971;
Физические основы промышленного исполь-
использования ультразвука, ч. 1—2, Л., 1970.
Б. Е. Михалёв, А. С. Химунин.
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА в
полупроводниках дрей-
дрейфом носителей заряда —
явление, состоящее в том, что про-
проходящая по кристаллу полупровод-
полупроводника УЗ-вая волна усиливается,
если скорость дрейфа носителей за-
заряда в направлении распространения
волны превышает её фазовую скорость.
У. у.— одно из проявлений взаимо-
взаимодействия ультразвука с электронами
проводимости. Наиболее значителен
этот эффект у пьезоэлектрич. полу-
полупроводников (напр., у CdS). Вслед-
Вследствие пьезоэффекта (см. Пьезоэлект-
Пьезоэлектричество) УЗ-вая волна, распростра-
распространяющаяся по пьезополупроводнико-
вому кристаллу со скоростью с, мо-
может сопровождаться продольной элект-
электрич. волной, бегущей с той же ско-
скоростью и в том же направлении (к-рая,
однако, возникает лишь при опре-
определённых, зависящих от симметрии
кристалла, направлениях распростра-
распространения и поляризациях волн).
Носители заряда (в частности,
электроны проводимости) в кристалле
взаимодействуют с электрич. полем
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая взаимо-
взаимодействие волны электрического поля с
электронами проводимости, дрейфующи-
дрейфующими со скоростью, близкой к скорости
звука: при различных соотношениях
Vd И С.
волны, причём характер этого взаи-
взаимодействия зависит от относительного
движения волны и электронов. От-
Относительную скорость, а следователь-
следовательно, и характер взаимодействия можно
изменить путём изменения скорости
электронов, приложив к кристаллу
внешнее постоянное электрич. поле
напряжённостью Ео, под действием
к-рого начнётся усреднённое движе-
движение электронов в определённом на-
направлении — дрейф электронов со
скоростью
vd = VEo,
где (х — подвижность электронов
в кристалле.
При va = 0 электрическое поле, со-
сопровождающее акустич. волну, отда-
отдаёт энергию электронам, приводя их
в колебательное движение (рис. 1,в),
в результате возникнет дополнитель-
дополнительное электронное поглощение звука.
При наличии поля Ео происходит
перераспределение электронов и об-
образуются области с повышенной их
концентрацией — т. н. сгустки объ-
объёмного заряда. Если v^ — с, положе-
положение сгустка совпадает с нулевой фазой
УЗ-вой волны (рис. 1, б) и в среднем
356
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
он почти не взаимодействует с элект-
рич. полем волны, поэтому электрон-
электронное поглощение звука равно нулю.
Если у<; немного меньше с, то сгусток
несколько отстаёт от волны (рис. 1, г),
к-рая, ускоряя его, отдаёт ему свою
энергию, что приводит к нек-рому
росту электронного поглощения. При
v&, несколько большей скорости зву-
звука с, сгусток опережает волну (рис. 1,
в) и свою кинетич. энергию при тор-
торможении передаёт полю волны, уве-
увеличивая его амплитуду, а вследствие
пьезоэффекта — и амплитуду самой
звуковой волны. Т. о., при v^c
наблюдается усиление УЗ-вой волны.
Процесс У. у. дрейфом электронов
в полупроводнике напоминает работу
лампы бегущей волны. Действитель-
Действительная картина У. у. значительно слож-
и,дБ/см
Рис. 2. Теоретическая зависимость коэф-
коэффициента усиления сдвиговой ультразву-
ультразвуковой волны в CdS от дрейфового поля.
менятся и общая мощность потерь
составит:
W = 2аЕ1 = Wo + /ае^о-
Коэфф. общего поглощения УЗ при
этом будет равен:
Т. о., при v^^>c коэфф. поглощения
УЗ ag<0, т. е. поглощение сменяется
усилением. Согласно теории У. у.,
в пьезопроводниках в линейном при-
приближении коэфф. поглощения
2 ус
V \ 1
Г
' 72«2 V
«»¦
где К — коэфф. электромеханич. свя-
связи, сос = а/г — т. н. максвелловская
релаксационная частота, г — диэлек-
трич. проницаемость, а — проводи-
проводимость кристалла, coq = c2/D — диффу-
диффузионная частота, D — коэфф. диффу-
диффузии, у = 1—v^lc. При у < 1 коэфф. а
отрицателен, т. е. волна усиливается
(рис. 2). При значительном увеличе-
увеличении V(/ no сравнению с с сгусток эле-
электронов выходит из синхронизма с
волной и коэфф. усиления а умень-
уменьшается.
Оптимальное значение Ео, соот-
соответствующее максимуму а, опреде-
определяется выражением:
нее и в большой степени зависит от
соотношения частоты звука со и про-
промежутков времени т между столкно-
столкновениями электронов, т. к. образование
сгустков объёмного заряда возможно,
если время т значительно меньше пе-
периода волны Т = 2я/со, т. е. сот<1.
При распространении по кристаллу
УЗ-вая волна отдаёт электронам про-
проводимости мощность в единице объё-
объёма, равную: w0 = 2аял1, где аэл —
коэфф. электронного поглощения УЗ,
/ — интенсивность звука. При этом
в кристалле возникает акустоэлект-
рич. ток /ае = — 2аяпц1/с, где ц —
подвижность электронов (см. Акусто-
электрический эффект). Если к крис-
кристаллу приложено внешнее постоян-
постоянное электрич. поле Ео в направлении
распространения УЗ, то из-за работы
акустоэлектрич. тока против сил по-
постоянного электрич. поля потери аку-
стич. мощности в единице объёма из-
изui" tx \ ' со ' ч>о )
При этом максимальный коэфф. уси-
усиления (в дБ/см) равен:
_ 8,68-КГ2 со
С ростом частоты УЗ коэфф. усиления
растёт и достигает максимума при ча-
частоте сотах = Т/соса>0. Т. к. частота
сос определяется величиной а, то, ме-
меняя проводимость кристалла, можно
добиться оптимальных условий У. у.
В пьезополупроводниках (CdS, CdSe)
У. у. наблюдается на частотах 15—
500 МГц и составляет 20—80 дБ/см.
Помимо пьезополуироводниковых
кристаллов, для У. у. можно приме-
применить и обычные полупроводниковые
кристаллы (напр., германий, кремний),
в к-рых имеет место потенциал-дефор-
потенциал-деформационное взаимодействие волны с но-
носителями заряда (см. Взаимодействие
ультразвука с электронами проводи-
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
357
мости). Т. к. потенциал-деформаци-
потенциал-деформационное взаимодействие растёт с часто-
частотой, применение обычных полупро-
полупроводников в качестве усилителей эф-
эффективно на частотах порядка 1 ГГц
и выше. Экспериментально У. у.
в германии наблюдалось на частоте
10 ГГц при темп-ре жидкого гелия,
при этом электронное усиление со-
составляло 20 дБ/см.
Практич. применение эффект У. у.
может найти при создании усилителей
УЗ для компенсации потерь в УЗ-вых
линиях задержки и для усиления ко-
колебаний СВЧ. Исследования эффекта
У. у. в полупроводниках (особенно
в сильном магнитном иоле) позволяет
оценить и измерить ряд характерных
параметров и констант твёрдого тела.
Усилители ультразвука. В простей-
простейшем усилителе УЗ (рис. 3) радиоча-
радиочастотный импульс от генератора 1 по-
поступает на преобразователь 2 (обыч-
(обычно кварцевую пластинку определён-
1Г
Рис. 3. Блок-схема установки по усиле-
усилению ультразвука дрейфом носителей:
1 — генератор радиочастотных импуль-
импульсов; 2 — преобразователи; 3 — звуко-
проводы; 4 — кристалл Cds; s — генера-
генератор импульсов дрейфового поля; 6 — при-
приёмник-усилитель; 7 — осветитель.
ного среза), к-рый излучает УЗ-вой
импульс в звукопровод 3 из диэлект-
диэлектрика (напр., плавленого кварца или
сапфира). Далее УЗ-вой импульс по-
попадает а активный кристалл 4, в ка-
качестве к-рого обычно применяет-
применяется иьезогголупроводниковый кристалл
CdS, обладающий хорошими пьезо-
электрич. свойствами и фотопроводи-
фотопроводимостью (т. е. проводимость его силь-
сильно зависит от освещённости, и по-
поэтому ею легко управлять в широких
пределах). Через второй звукоировод
импульс попадает на выходной пре-
преобразователь 2, после чего — на
электронный усилитель 6, компенси-
компенсирующий потери в УЗ-вой линии за-
задержки 3—4—3, и на осциллограф.
Постоянное напряжение подаётся на
металлич. электроды, нанесённые на
торцы кристалла. Для предотвраще-
предотвращения разрушения кристалла из-за пе-
перегрева постоянным током применя-
применяется импульсный режим работы уси-
усилителя, т. е. дрейфовое напряжение
подаётся в виде импульсов, длитель-
длительность к-рых выбирается равной или
несколько большей времени распро-
распространения УЗ-вого импульса в крис-
кристалле. Импульс дрейфового напряже-
напряжения задерживается относительно мо-
момента подачи радиоимпульса на вход-
входной преобразователь 2 на время рас-
распространения УЗ в первом звукопро-
воде 3, чтобы дрейф электронов в ак-
активном кристалле совпал с моментом
прохождения по нему УЗ-вого импуль-
импульса. Однако импульсный режим работы
ограничивает возможные применения
усилителей.
Дрейфовое напряжение Fo, необхо-
необходимое для получения усиления, опре-
определяется из условия: Vo = cll\i, где
I — длина активного кристалла в на-
направлении распространения звука, а
знак импульса выбирается таким,
чтобы носители заряда под действием
ноля двигались в направлении рас-
распространения звука. Подбором ин-
интенсивности и спектрального соста-
состава света от осветителя 7 создаётся
оптимальная проводимость кристал-
кристалла. В нек-рых случаях усиление
ультразвука бывает настолько значи-
значительным, что позволяет скомпенси-
скомпенсировать все потери в линии задержки
и получить дополнительный рост вы-
выходного сигнала.
При экспериментальном исследова-
исследовании усилителей УЗ различают элек-
электронный коэфф. усиления, определяе-
определяемы й по превышению выходного сигна-
сигнала при дрейфе над тем же сигналом в
отсутствии дрейфа, и «чистый» коэфф.
усиления — превышение выходного
сигнала над сигналом на входном пре-
преобразователе. В последнем случае
усиление определяется как разность
электронного усиления и всех потерь
в акустич. системе: потерь на преоб-
преобразование электрич. сигнала в аку-
акустический и обратно в преобразовате-
преобразователях, поглощение звука в звукопрово-
дах и в активном кристалле, потерь
358
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
в акустич. контактах. Обычно коэфф.
усиления измеряется в дБ или в дБ/см.
От частоты УЗ коэфф. усиления за-
зависит мало — частотная зависимость
нерезоиансная (рис. 4), однако реаль-
г
у
/
t
/^
\
N
100
2 500. 1900 500010000 50000
(.МГЦ
Рис. 4. Теоретическая частотная характе-
характеристика усиления ультразвуковой сдви-
сдвиговой волны в CdS.
ная полоса усилителя, как и реальный
коэфф. усиления системы, определяет-
определяется свойствами входных и выходных
преобразователей УЗ, и в частности
их широкополосностью. Большие ко-
коэфф. усиления можно реально полу-
получить на гиперзвуковых частотах
(в СВЧ диапазоне).
Динамич. диапазон усилителя УЗ
ограничивается снизу уровнем шумов
и сверху нелинейными эффектами.
Последнее ограничение связано с тем,
что при нек-рой амплитуде волны все
свободные электроны уже сформиро-
сформированы в сгустки и дальнейший рост
переменной плотности заряда стано-
становится невозможным. Шумы усилителя
УЗ обусловлены флуктуациями плот-
плотности тока, усилением тепловых шу-
шумов (тепловых фононов), а также само-
самовозбуждением усилителя из-за внут-
внутренней обратной связи, связанной
с многократными отражениями УЗ-вой
волны от границ кристалла. Кроме
того, реальные кристаллы обычно
имеют примесные энергетич. уровни —
«ловушки», к-рые снижают подвиж-
подвижность электронов и вносят значитель-
значительный вклад в общие шумы усилителя.
Коэфф. шума усилителя УЗ зависит
также от потерь в преобразователях.
Для усилителей объёмных волн коэфф.
шума составляет 10—15 дБ на часто-
частотах десятки — сотни МГц.
Кристаллы для усили-
усилителей ультразвука. К ма-
материалам для усилителей УЗ предъяв-
предъявляются следующие требования: малое
поглощение звуковой волны и сильное
взаимодействие её с электронами про-
проводимости, хорошие пьезоэлектрич.
свойства и высокая подвижность но-
носителей тока и т. п. Основные свойст-
свойства наиболее часто применяемых для
этих целей кристаллов даны в табл. 1.
Кристалл для усилителя УЗ должен
обладать сильным пьезоэффектом, т. е.
большим коэфф. электромеханич. свя-
связи К для данного типа волны; однако
при сильном пьезоэффекте быстрее
начинают проявляться нелинейные эф-
эффекты, ограничивающие динамич. диа-
диапазон усилителя УЗ. Одним из луч-
лучших материалов с точки зрения пьезо-
пьезоэлектрич. свойств является ZnO, одна-
однако этот кристалл трудно вырастить
с необходимыми полупроводниковыми
свойствами, обеспечивающими опти-
оптимальную проводимость. Для получе-
получения оптимального усиления на частоте
Табл. 1.—Свойства кристаллов,
применяемых для усиления ультразвука
Кри-
Кристалл
CdS . . .
CdS . . .
CdSe . .
CdSe . .
ZnO . .
ZnO . .
GaAs . .
InSb . .
Тип
решёт-
решётки
гексого-
нальная
»
»
»
»
»
куби-
кубическая
»
Ско-
Скорость
звука
с -.10s,
см/с
4,47
1 ,75
3,86
1,52
6,1
2,74
3,32
2,26
Плот-
Плотность
р, г/см1
4,82
4,82
5,81
5,81
5,68
5,68
5,31
5,77
Направ-
Направление
распро-
стране-
странения УЗ
1! оси С
J.OCH С
11 оси С
J.OCH С
|| оси С
X оси С
|| оси[110]
II оси [110]
Поля-
риза-
ризация
УЗ-вой
волны
|| оси С
»
»
»
»
»
|| оси
гллп
»
Коэфф.
электро-
механи-
механической
связи К
0,15
0,19
0,12
0,13
0,28
0,32
0,07
0,04
Подвиж-
Подвижность
электро-
электронов ц,
СМ2/С
300
300
500
500
180
180
7000
80000
Диэлект-
Диэлектрическая
прони-
проницаемость
е
10,33
9,35
10,65
9,7
8,5
8,5
12,53
15,9
Эффек-
тив-
тивность ff,
дЪ • см!/Вт
0,0174
0,494
0,0447
0,945
0,01
0,145
3,99
6,65
Примечание. Ось С — гексагональная ось F-го порядка) кристалла (см. Симмет-
Симметрия кристаллов).
со необходимо, чтобы
кристалла а = есо.
При оценке пригодности кристалла
для использования в усилителе УЗ
вводится параметр эффективности Н\
для оптимальных условий
УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
проводимость
359
c3 [дБ-см2/Вт],
где Ро — мощность постоянного тока,
рассеиваемая в единице объёма кри-
кристалла, в Вт/см3. Из табл. 1 видно,
что наибольшим параметром Н обла-
обладают кристаллы CdSe при усилении
сдвиговой волны и кристаллы GaAs и
InSb, большая проводимость к-рых,
однако, затрудняет их применение.
Усиление поверхностных акустиче-
акустических волн. Наиболее эффективно при-
применение У. у. для поверхностных волн,
что обусловлено рядом причин: суще-
существуют эффективные методы возбужде-
возбуждения и приёма поверхностных волн,
при к-рых потери на двойное преоб-
преобразование не превышают нескольких
дБ; удаётся значительно уменьшить
коэфф. отражения от торцов кристал-
кристалла и от преобразователей, что снижает
вероятность самовозбуждения усили-
усилителя и соответствующие шумы; легче
осуществить наиболее выгодный теп-
тепловой режим усилителя, т. к. скорость
поверхностных волн самая низкая и со-
соответственно меньше дрейфовое на-
напряжение; легче осуществить хороший
теплоотвод.
При усилении поверхностных волн
можно использовать слоистые струк-
структуры из разных материалов, так что
звукопровод и слой полупроводника,
в к-ром происходит дрейф носителей,
разделяются: поверхностная акустич.
волна распространяется в пьезоди-
электрич. звукопроводе, а сопровож-
сопровождающее её электрич. поле проникает
в полупроводниковый кристалл, в
f-t
Рис. 5. а — поверхностная волна в пье-
зополупроводниковом кристалле; б —
взаимодействие поверхностной волны
в пьезодиэлектрике i с электронами в по-
полупроводнике 2 через вакуумную щель з;
в — монолитный усилитель — полупро-
полупроводниковая пленка 2 на поверхности пье-
зо диэлектрика I; г — монолитный уси-
усилитель — пьезоэлектрическая плёнка 2
на полупроводниковом кристалле 1\ д —
взаимодействие поверхностной волны
в пьезоэлектрике 1 с электронами в пьезо-
полупроводнике 2 через слой жидкости
S; е — взаимодействие поверхностной вол-
волны в пьезоэлектрике 1 с электронным
лучом 2.
к-ром и происходит их взаимодействие
и усиление. Такая структура позволя-
позволяет использовать для звукопровода
хороший пьезодиэлектрик (напр., нио-
бат лития), а для дрейфа электронов —
либо полупроводник с большой под-
подвижностью электронов и необходимой
проводимостью, граничащий со зву-
копроводом через узкую вакуумную
щель (рис. 5,6), либо плёнку из полу-
полупроводникового материала (монолит-
Табл. 2. — Основные параметры некоторых
экспериментальных усилителей ультразвука
Кристалл
Структура
усилителя
Тип волны
Частота,
МГц
Коэфф.
усиления
а, дБ/см
Режим работы
CdS »
CdS
CdS
Ge ..
LiNbO3
LiNbO3-(-Si , ,
CdS ......
LiNbO3 + InSb
объёмный
слоистый со
щелью
монолитный
плёночный
поверхность
кристалла
монолитный
плёночный
сдвиговая
»
продольная
»
поверхностная
30
60
700
10*
108
108
100
С 240
J 400
I 670
60
80
45
20
50
30
г 90
1100
55
70
100
импульсный
Импульсный
при 4,3 К
импульсный
непрерывный
непрерывный
импульсный
импульсный
360
ФАЗА
яый усилитель, рис. 5,в и 5,г). В каче-
качестве звукопровода можно использо-
использовать подходящий полупроводниковый
кристалл (напр., кремний), а для до-
достижения хорошего взаимодействия и
возбуждения поверхностной волны на
его поверхность нанести тонкую пье-
зоэлектрич. плёнку. В нек-рых слу-
случаях взаимодействие в слоистой струк-
структуре осуществляется через жидкость
(рис. 5,д). Применение слоистых струк-
структур улучшает характеристики усили-
усилителей УЗ и позволяет осуществить не-
непрерывный режим усиления.
В табл. 2 приведены параметры ряда
экспериментальных усилителей.
Усилители УЗ начинают находить
применение в УЗ-вых линиях задерж-
задержки, для усиления радиосигналов, в не-
нелинейных акустич. устройствах обра-
обработки сигнальной информации (см.
А кустозлектроника).
Лит.: Пуотовойт В. И., «Успехи
физ. наук», 1969, т. 97, № 2, с. 257—306;
Гуляев Ю. В., Пустовойт В. И.,
«ЖЭТФ», 1964, т. 47, в. 6, с. 2251—53; Фи-
Физическая акустика, под ред. У. Мэзона,
пер. с англ., т. 4, ч. А, М., 1969, гл. 1; Л я-
м о в В. Е., в кн.: Некоторые вопросы взаи-
взаимодействия ультразвуковых волн с электро-
электронами проводимости в кристаллах, М., 1965,
с. 5—32; Hutson A.B., WhiteD. L.,
«J. Appl. Phys.», 1962, V. 33, J4» 1, p. 40 — 47.
В. Е. Лямов,
Ф
ФАЗА — аргумент функции
cos(a>(+cp), описывающей гармоническое
колебание (со — круговая частота, (р —
начальная фаза, t — время). Ф. опре-
определена с точностью до произвольного
слагаемого, кратного 2я. Обычно су-
существенны не сами Ф. тех или иных
колебаний, а фазовые соотношения
между колебаниями. Для равных ча-
частот фазовые соотношения характе-
характеризуются разностью Ф. колебаний,
к-рая всегда равна разности началь-
начальных Ф. ф1 — ф2 и, следовательно, не
зависит от начала отсчёта времени.
Для разных частот это понятие обоб-
обобщают, вводя приведённую разность
Ф. ц:1 — ф2, также не зависящую
от начала отсчёта времени.
При разности Ф., равной 0, л и
4; —, говорят, что колебания синфаз-
ны, противофазны и находятся в квад-
квадратуре соответственно. Напр., в пло-
плоской бегущей волне колебательная
скорость частиц и и звуковое давление
р синфазны, в стоячей волне — нахо-
находятся в квадратуре, а в сфорич. бегу-
бегущей волне разность Ф. между v и р
монотонно убывает от я/2 до 0 при
увеличении расстояния от центра вол-
волны от 0 до со. Отношение средней
активной мощности к амплитуде реак-
реактивной мощности излучателя равно
косинусу разности Ф. между колеба-
колебательной скоростью и давлением на
излучающей поверхности; с этим свя-
связана малая эффективность излучения
при малом размере излучающей по-
поверхности по сравнению с длиной
волны (см. Излучение звука).
Слуховое восприятие направления
прихода звука связано с различием
Ф. волн, приходящих к одному и
к другому уху. Приведённые разно-
разности Ф. между составляющими слож-
сложного звука, как правило, не ощуща-
ощущаются при слуховом восприятии.
Лит.: Горелик Г. С, Колебания и
волны, 2 изд., М., 1959. М. А. Исакович.
ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ — скорость
перемещения фазы гармонич. волны.
Ф. с. с выражается через частоту /
и длину волны X или через круговую
частоту со = 2л/ и волновое число
к = 2я/а ф-лой с = /А, = а/к. Для при-
применимости понятия Ф. с. достаточно,
чтобы гармонич. волны распространя-
распространялись без изменения формы. Это усло-
условие всегда выполняется в линейных
средах. При зависимости Ф. с. от ча-
частоты или, что то же, от длины волны
говорят о дисперсии скорости. В от-
отсутствии дисперсии любые волны рас-
распространяются, не меняя формы, со
скоростью, равной Ф. с. При наличии
дисперсии негармонич. волны изме-
изменяют свою форму, и обычное поня-
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
361
тие скорости делается неприменимым.
В этих случаях важны понятия груп-
групповой скорости и скорости фронта.
Экспериментально значение Ф. с. мож-
можно определить из интерференционных
опытов, измерив длину волны при за-
заданной частоте, а также путём изме-
измерения частоты собственных колеба-
колебаний образца из данного вещества из-
известных размеров. Отношение Ф. с.
в двух данных средах может быть
найдено по преломлению плоской вол-
волны на плоской границе этих сред.
ФЕРРИТЫ — химические соедине-
соединения окиси железа Fe2O3 с окислами
других металлов. У многих Ф. соче-
сочетаются высокая намагниченность и
полупроводниковые или диэлектрич.
свойства, благодаря чему они широко
применяются как магнитные материа-
материалы в радиотехнике, радиоэлектронике,
вычислительной технике. Различают
следующие виды Ф.: 1) ферриты-шпи-
ферриты-шпинели, имеющие структуру минерала
шпинели с общей ф-лой MeFeO4,
где Me обозначает Ni2+, Co2+, Fe2+,
Мп2+, Mg2+, Li1+, Cu2+; 2) ферриты-
гранаты редкоземельных элементов
Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Sm3+, Eu3+
и Y3+ (обозначаемых R3+) с общей
ф-лой R3Fe50I2, имеющие кубич. струк-
структуру граната; 3) ферриты гексагональ-
гексагональной структуры (гексаферриты) с об-
общей ф-лой (MeO)(Fe2O3N, где Me —
ионы Ва, Sr или РЬ. Нек-рые гекса-
гексаферриты обладают высокой коэрци-
коэрцитивной силой и применяются для
изготовления постоянных магнитов.
Большинство Ф. со структурой шпи-
шпинели используются как магнитно-мяг-
магнитно-мягкие материалы, отличающиеся высокой
магнитной проницаемостью и при-
пригодные для использования на высоких
частотах вследствие малой электропро-
электропроводности. Нек-рые ферриты-шпинели
и феррит-гранат иттрия обладают
значительной магнитострикцией и
применяются в качестве магнито-
стрикциопных материалов. Синтез
поликристаллцч. Ф. осуществляется
по технологии изготовления керами-
керамики (см. Пъезокерамика). Смесь исход-
исходных окислов синтезируют при темп-ре
700—1050 °С, затем измельчают и из
полученного порошка прессуют изде-
изделия нужной формы, к-рые подвергают
затем спеканию при темп-pax от 900
до 1500 °С на воздухе или в специаль-
специальных газовых средах. Монокристаллич.
Ф. выращивают спец. методами.
Лит.: Р а б к и н Л. И., С о с к и н С. А.,
Эпштейн Б. Ш., Ферриты. Строение,
свойство, технология производства, М.,
1968; Смит Я., Вейн X., Ферриты, пер.
с англ., М-, 1962; КрупичкаС., Физика
ферритов и родственных им магнитных окис-
окислов, пер. с нем., т. 1—2, М., 1976.
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ — совокуп-
совокупность магнитных свойств, характер-
характерных для группы веществ в твёрдом
кристаллич. состоянии (ферромагнети-
(ферромагнетиков) и обусловленных положительным
межэлектронным обменным взаимодей-
взаимодействием, приводящим к параллельной
ориентации моментов атомных носи-
носителей магнетизма.
Ферромагнитная структура парал-
параллельных магнитных моментов (рис. 1)
устанавливается в ферромагнетиках
в отсутствии внешнего магнитного по-
поля II при темп-pax Т ниже критиче-
критической в (см. Кю-
Кюри точка). Маг-
Магнитная воспри-
восприимчивость и
Рис
маги
ная структура
гранецентриро-
ванной кубиче-
кубической решётки ниже точки Кюри в; стрел-
стрелками обозначены направления атомных
магнитных моментов.
ферромагнетиков может достигать зна-
значений ~ 104—105 Гс/Э; их намагничен-
намагниченность /, проявляющаяся во внешнем
поле Н, растёт с величиной Н нели-
нелинейно и в полях ~1—100 Э достигает
предельного значения Js, т. е. насту-
наступает магнитное насыщение. Намагни-
Намагниченность зависит также от «магнитной
предыстории» образца, что приводит
к неоднозначности ф-ции J(H), т. е.
к магнитному гистерезису. В ферро-
ферромагнитных монокристаллах наблюда-
наблюдается резкая магнитная анизотропия —
различие магнитных свойств по раз-
разным кристаллографич. направлениям
J.Tc
Рис. 2. Зависи- j
мость намагни- s
ченности J от маг- '600
нитного поля Я
для трёх главных B00
кристаллографи-
кристаллографических осей моно-
монокристалла Fe (тип 800
решётки — объём-
ноцентрирован- 400
ная кубическая,
[100] — ось лег-
легчайшего намагни- О
чивания). 200 400
Н,Э
f [101
А
^1
110]
600
362
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
(рис. 2). В поликристаллах с хаотич.
распределением ориентации зёрен ани-
анизотропия в среднем по образцу отсут-
отсутствует. Магнитные и прочие физич.
свойства ферромагнетиков обладают
специфич. зависимостью от Т. Вели-
Величина Js имеет наибольшее значение
при ОК и монотонно стремится к 0 при
Т —.* в (рис. 3). Выше в ферромагне-
ферромагнетик переходит в парамагнитное состоя-
состояние, а в нек-рых случаях (редкозе-
(редкоземельные металлы) — в антиферромаг-
антиферромагнитное. Температурный ход магнит-
магнитной проницаемости jj. (или восприим-
восприимчивости х) ферромагнетиков имеет
резко выраженный максимум вблизи
в. При намагничивании ферромагне-
ферромагнетика происходит изменение размеров
и формы образца (см. Магнитострик-
ция). Благодаря этому кривые намаг-
намагничивания и петли гистерезиса зави-
зависят от внешних напряжений. Наблю-
Наблюдаются также аномалии в величине
и температурной зависимости постоян-
постоянных упругости ферромагнетиков (см.
Делъта-Е эффект), коэфф. линейного
и объёмного расширения. При адиа-
батич. намагничивании и размагни-
размагничивании ферромагнетики изменяют
свою темп-ру. Электрические, гальва-
гальваномагнитные и термомагнитные, тер-
моэлектрич., оптич. и тепловые свой-
свойства ферромагнетиков также имеют
особый характер.
Рис. 3. Схематический ход
температурной зависимо-
зависимости магнитного насыщения
Js (T) ферромагнетика
(в — точка Кюри).
в Г
Ферромагнетики широко применя-
применяются в технике в виде технических
магнитных материалов, в том числе
как материалы для электроакустиче-
электроакустических преобразователей.
Обменная энергия электронов в фер-
ферромагнетиках, ответственная за фер-
ферромагнитный порядок атомных маг-
магнитных моментов в кристалле, имеет
электростатич. природу и объясня-
объясняется законами квантовой механики.
Магнитное взаимодействие электронов
определяет магнитную анизотропию
в ферромагнетиках. Необходимое ус-
условие Ф.— наличие постоянных маг-
магнитных моментов (спиновых или ор-
орбитальных или обоих вместе) элек-
электронных оболочек атомов. Это усло-
условие выполняется в кристаллах, по-
построенных из атомов переходных эле-
элементов, обладающих внутренними
электронными оболочками.
В отсутствии внешнего магнитного
поля {И = 0) термодинамически устой-
устойчивому состоянию макроскопич. фер-
ферромагнитного образца отвечает раз-
размагниченное состояние, т. к. в про-
противном случае на поверхности образца
возникают магнитные полюсы, обус-
обусловливающие размагничивающее ноле
и связанную с ним большую энергию.
В то же время обменное взаимодейст-
взаимодействие стремится создать магнитный поря-
порядок с отличной от нуля намагничен-
намагниченностью (/ Ф 0). В результате этих
противоположных тенденций ферро-
ферромагнитный образец разбивается на
домены — области однородной намаг-
намагниченности. Каждый домен характери-
характеризуется вектором т. н. спонтанной на-
намагниченности /s. Равновесная струк-
структура доменов при / = 0 отвечает замк-
замкнутости магнитных потоков внутри
образца. Между доменами существуют
переходные слои конечной толщины,
в к-рых /5 непрерывно меняет своё
направление.
Кривые намагничивания и петли
гистерезиса в ферромагнетиках в об-
области технич. намагничивания (т. е.
до магнитного насыщения) определя-
определяются изменением объема доменов с
различными ориентациями Js в них.
Эти изменения происходят путём сме-
смещения границ доменов и путём вра-
вращения векторов Js.
При рассмотрении магнитострикции
со спонтанной намагниченностью до-
домена связывают его спонтанную де-
деформацию Xs, к-рая в области технич.
намагничивания обусловлена магнит-
магнитным взаимодействием в кристаллич.
решётке. При этом магнитострикцион-
ная деформация ферромагнитного
образца в процессе его намагничива-
намагничивания или особенность его поведения
при различных механич. воздействиях
также может определяться с помощью
механизма смещения доменных границ
и вращения векторов намагниченности
доменов. Доменная теория Ф. имеет
важное значение для разработки но-
новых и улучшения существующих маг-
магнитных материалов, предназначенных
для того или иного применения,
в т. ч. и для разработки и правиль-
правильного использования магнитострик-
циопных материалов.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА
363
Лит.: Акулов Н. С, Ферромагне-
Ферромагнетизм, М.— Л., 1939; Б о з о р т Р., Ферро-
Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; В о н с о в-
с к и й С. В., Шур Я. С, Ферромагнетизм,
М.—Л., 1948; Вонсовский С. В.,
Магнетизм, М., 1971; Туров Е. А., Фи-
Физические свойства магнитоупорядоченных
кристаллов, М., 1963; В е с k e r R., Do-
ring W., Ferromagnetismus, В., 1939.
ФЕРРОМАГНЕТИКИ — вещества
(как правило, в твёрдом кристаллич.
состоянии), в к-рых ниже определён-
определённой темп-ры (Кюри точки в) уста-
устанавливается ферромагнитный порядок
магнитных моментов атомов или ионов
(в неметаллич. кристаллах) или мо-
моментов коллективизированных элек-
электронов (в металлич. кристаллах, см.
Ферромагнетизм). Среди химич. эле-
элементов ферромагнитны переходные
элементы Fe, Со и Ni (Зй-металлы)
и редкоземельные металлы Gd, Tb,
Dy, Но, Ег (см. табл.).
Значения точки Кюри®
и намагниченности единицы
объёма Jso при температуре ОК
для ферромагнитных
металлов
Ме-
Металлы
Fe. .
Со . .
Ni . .
Gd
0, К
1043
1403
631
289
Jso, Гс
1735
1445
508
1980
Ме-
Металлы
2 Tb . .
Dy . .
8 Но . .
Ег . .
0, К
223
87
20
19,6
J*>, Гс
2713
1991,8
3054,6
1872,6
В кристаллах З^-металлов и в Gd
устанавливается коллинеарный поря-
порядок атомных магнитных моментов,
т. е. коллинеарная ферромагнитная
структура, а в остальных редкоземель-
редкоземельных Ф.— неколлинеарная (спираль-
(спиральная и др.). Ферромагнитны также
многочисленные металлические бинар-
бинарные и более сложные (многокомпо-
(многокомпонентные) сплавы и соединения упо-
упомянутых металлов между собой и с
другими неферромагнитными элемен-
элементами, сплавы и соединения Сг и Мп
с неферромагнитными элементами
(т. н. Гейслеровы сплавы), соедине-
соединения ZrZn2 и Zr^M^j-Ziij (где М —
это Ti, Y, Nb или Hf, 0^ х ^ 1),
Au4V, Sc3ln и др.
Благодаря особым свойствам — вы-
высокой магнитной проницаемости, боль-
большой остаточной индукции и коэр-
коэрцитивной силе, магнитострикции —
различные Ф. находят широкое при-
применение в технике, например как
магнитно-мягкие материалы с высокой
магнитной проницаемостью (типа пер-
пермаллоя, нек-рых ферритов), как маг-
магнитно-жёсткие материалы для посто-
постоянных магнитов или как магнито-
стрикционные материалы для элект-
роакустич. преобразователей.
ФЕРРОЭЛЕКТРИКИ — встречаю-
встречающееся в зарубежной литературе на-
название сегнетоэлектрикое. См. Сегне-
тоэлектричество.
ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — термин,
применяемый нек-рыми авторами
вместо термина сегнетоэлектричество
с целью подчеркнуть аналогию этого
явления во внешних проявлениях с
явлением ферромагнетизма.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТ-
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА. Акустич. ко-
колебания могут оказывать существен-
существенное влияние на течение неравновес-
неравновесных процессов в замкнутой системе.
К ним относится целый ряд процессов
химич. технологии — механич., гид-
ромеханич., тепловые и массообменные.
Характер воздействия УЗ на физи-
ко-химич. процессы может быть раз-
различным: стимулирующим — в тех
случаях, когда он является движу-
движущей силой процесса, как, напр., в про-
процессах УЗ-вого диспергирования, рас-
распыления, эмульгирования, УЗ-вой коа-
коагуляции и очистки; интенсифицирую-
интенсифицирующим — в тех случаях, когда УЗ лить
увеличивает скорость процесса (напр.,
в процессах УЗ-вого растворения,
травления, экстрагирования, УЗ-вой
кристаллизации и сушки, при воздей-
воздействии ультразвука на электрохими-
электрохимические процессы); оптимизирующим —
в тех случаях, когда УЗ лишь упоря-
упорядочивает течение процесса, как, напр.,
в процессах акустич. грануляции и
центрифугирования, при воздействии
на режим горения в ультразвуковом
поле.
Механизм воздействия УЗ зависит
как от самого характера воздействия,
так и от среды, в к-рой протекает
процесс (жидкость, газ); это обуслов-
обусловлено тем, что подавляющее число
процессов в УЗ-вом поле связано с эф-
эффектами второго порядка: кавитацией,
акустическими течениями и др.
Примером стимулирующе-
стимулирующего действия УЗ в газовой среде
является УЗ-вое распыление, в основе
механизма к-рого лежит возбуждение
УЗ стоячих капиллярных волн на по-
поверхности жидкости. Распыление про-
происходит вследствие отрыва капель
жидкости от гребня этих волн. Не-
364
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА
смотря на энергоёмкость такого метода
распыления (при частоте 20 кГц и
скорости распыления 1,3 см3/с необхо-
необходима интенсивность — 100 Вт/см2),
он нашёл применение в промышлен-
промышленности для получения порошков из рас-
расплавов. В ряде случаев этот метод
распыления оказывается экономически
выгодным. Так, для получения одной
тонны свинцового порошка на шаровой
мельнице необходимо затратить 375
кВт-ч электроэнергии, а при акустич.
распылении — всего лишь 42 кВт-ч.
Пример стимулирующего действия
УЗ в жидкой среде — УЗ-вое диспер-
диспергирование. В этом процессе важную
роль играет флотационное действие
пульсирующих кавитационных пу-
пузырьков (см. Флотация ультразвуко-
ультразвуковая). При пульсации пузырьков на ча-
частицы, взвешенные в жидкости, дей-
действуют знакопеременные потоки жид-
жидкости, к-рые определяют величину и
направление действующих на частицы
сил. Сила Стокса, возникающая в ре-
результате торможения потока у по-
поверхности частицы, ввиду сферич.
симметрии колебаний пузырька стре-
стремится оттолкнуть частицу от пузырь-
пузырька. Сила Озеена, обусловленная инер-
инерционностью частицы, в связи с вре-
временной несимметрией колебаний пу-
пузырька стремится подтянуть частицу
к пузырьку. Расстояние, на к-ром ве-
величина этих сил уравнивается, зави-
зависит от размеров пузырька и частицы,
а также от плотности частицы и вяз-
вязкости жидкости. Расстояние от центра
пузырька до местоположения частицы,
при к-ром имеет место равенство сил,
наз. радиусом захвата, т. к. частицы,
лежащие в этой зоне, притягиваются
к пузырьку. Подтянутые к поверхно-
поверхности пузырька частицы разрушаются
ударными волнами, возникающими при
захлопывании кавитационного пузырь-
пузырька. Особенностью механизма УЗ-вого
диспергирования является то, что
очень мелкие частицы отталкиваются
пузырьком, т. к. их радиус захвата
лежит внутри наибольшего радиуса
колеблющегося пузырька. Т. о., про-
происходит сепарация частиц и разруше-
разрушению подвергаются только частицы
сравнительно крупных размеров. Дру-
Другая особенность этого механизма со-
состоит в том, что частицы не разламы-
разламываются на более или менее крупные
куски, а под воздействием ударных
волн происходит обкалывание частиц
с поверхности, и через нек-рое время
они принимают вид хорошо обкатан-
обкатанной морской гальки. Т. к. для УЗ-вого
диспергирования важную роль игра-
играют кавитационные пузырьки, его про-
проводят на низких частотах (8—20 кГц)
и при высоких интенсивностях УЗ
B—3 Вт/см2). В промышленности этот
процесс применяется, когда необхо-
необходимо получать очень тонкие суспен-
суспензии красителей, окислов металлов
и др.
Пример интенсифицирую-
интенсифицирующего действия УЗ в газах —
получение чистых полупроводниковых
материалов (кремния, германия) из
газовой фазы. Ускорение процесса
в этом случае обусловливается аку-
акустич. течениями, возникающими как
в объёме газа, так и у поверхности
сильно нагретой затравки. Эти тече-
течения обеспечивают подведение свежих
порций газа к поверхности затравки,
а также способствуют разрушению по-
поверхностного пограничного диффузи-
диффузионного слоя. При одинаковых прочих
технологич. условиях полупровод-
полупроводниковые стержни при воздействии УЗ
получаются более плотными и массив-
массивными, чем без УЗ. Кроме того, у стерж-
стержней, полученных без УЗ, поверхность
имеет столбчатую структуру, что
уменьшает выход готового продукта.
Для получения сильных акустич. те-
течений необходимо воздействовать на
процесс акустич. колебаниями низ-
низкой частоты (около 5 кГц), при уров-
уровне интенсивности 155—160 дБ.
Пример интенсифицирующего дейст-
действия УЗ в жидкой среде — растворе-
растворение в УЗ-вом поле. Ускорение раство-
растворения в этом случае происходит под
воздействием трёх факторов. Во-пер-
Во-первых, возникающие у твёрдой поверх-
поверхности акустич. течения переводят про-
процесс из области молекулярной диффу-
диффузии в область конвективной диффузии,
при к-рой 'скорость процесса зна-
значительно выше. Во-вторых, кавитаци-
кавитационные пузырьки, разрушая твёрдую
поверхность, значительно увеличи-
увеличивают площадь растворения. В-треть-
В-третьих, микротечения от колеблющихся
кавитационных пузырьков турбули-
зуют жидкость у твердой поверхно-
поверхности, снимая тем самым диффузионные
ограничения. В результате УЗ-вого
воздействия удаётся ускорить процесс
растворения в 5—10 раз. Т. к. для
этого процесса также важна кавита-
ФЛОТАЦИЯ
365
ция, то необходимо работать на отно-
относительно низких частотах (8—20 кГц)
и при больших интенсивностях
B—3 Вт/см3).
Примером оптимизирую-
оптимизирующего действия УЗ в газах
может служить акустич. гранулирова-
гранулирование. Механизм этого процесса состоит
в том, что на поверхности струи аку-
акустич. колебаниями создаётся гармо-
яич. возмущение, принуждающее
струю расплава разрываться на капли
строго определённых размеров, к-рые,
застывая, образуют гранулы одинако-
одинакового размера. Ввиду того что в этом
процессе акустич. колебания создают
только начальное возмущение, а его
развитие происходит за счёт энергии
струи, для воздействия на процесс
требуется малая интенсивность зву-
звука — 0,01—0,1 Вт/см2. Частоту не-
необходимо подбирать, руководствуясь
формулой Рэлея: / = ul&,5id, где
и — скорость истечения струи из
сопла, d — диаметр сопла. Наиболь-
Наибольшее распространение этот процесс
получил при гранулировании мине-
рачьных удобрений.
Примером оптимизирующего дейст-
действия УЗ в жидкости является акустич.
центрифугирование. При движении
продукта вдоль ротора центрифуги
происходит разделение траекторий
осаждения твёрдых частиц суспензии
в зависимости от их размеров. Круп-
Крупные частицы имеют более крутую
траекторию осаждения и быстро вы-
выводятся из жидкости. Оставшиеся
мелкие частицы флотируются кави-
тационпыми пузырьками так же, как
и при диспергировании. Под действи-
действием выталкивающей силы гидростатич.
давления в поле центробежных сил
эти пузырьки совместно с захвачен-
захваченными частицами двигаются к фильт-
фильтрующей перегородке. Пузырёк про-
проходит сквозь фильтрующую перего-
перегородку и уходит к границе раздела жид-
жидкость — газ, а собранные им частицы
задерживаются перегородкой. Накап-
Накапливаясь, эти частицы образуют агре-
агрегаты больших размеров, к-рые под
действием центробежных сил отбрасы-
отбрасываются на периферию ротора, где и
выводятся из жидкости. Применение
акустич. центрифугирования целе-
целесообразно для разделения мелкодис-
мелкодисперсных суспензий, т. к. в этом слу-
случае удаётся резко снизить величину
фактора разделения. Так, для разде-
разделения суспензии красителя «конго
красное» требуется фактор разделе-
разделения, равный 12 000 g (g — ускорение
силы тяжести), а при акустич. вол-
действии — всего лишь 1500 g. По-
Поскольку в этом процессе важную роль
играют кавитационные пузырьки, его
необходимо проподить на относительно
низких частотах и при больших интен-
интенсивностях УЗ.
Лит.: Физические основы ультразвуко-
ультразвуковой технологии, М., 11170; Ильин А. В.
и д р., Механизм флотационного действия
пульсирующих гапоных пунмрьков, «Акуст.
ж.», 1972, т. 18, в. 4. IS. Г. Новицкий.
ФИЛЬТР — устройство для выде-
выделения (или подавлении) ;>лектрич.
сигнала в заданной полосе частот.
Наряду с электрич, контурами для
этих целей используются пыннюлек-
трич. Ф. и Ф. на поверхностных нку-
стич. волнах. См. Акустоалектроники.
ФЛОТАЦИЯ — процесс разделе-
разделения мелких твёрдых частиц (гл. обр.
минералов), основанный на раяличии
в их смачиваемости водой. Ф. приме-
применяется для обогащения минерального
сырья перед промышленной переработ-
переработкой на предприятиях цветной и чер-
черной металлургии, а также при очист-
очистке сточных вод в условиях промыш-
промышленного производства.
Процесс Ф. обусловлен тем, что
гидрофобные (плохо смачиваемые во-
водой) частицы избирательно аахрелля-
ются на границе раздела фаз (обычно
газа и воды) и отделяются от гидро-
гидрофильных (хорошо смачиваемых) ча-
частиц. При Ф. пузырьки газа или кап-
капля масла прилипают к плохо смачи-
смачиваемым водой частицам и поднимают
их к поверхности. Ф. осуществляется
в смеси измельчённой руды с водой
(т. н. флотационной пульпе), куда
тем или иным способом вводятся
пузырьки воздуха. Минеральные ча-
частицы прилипают к воздушным пу-
пузырькам и вместе с ними уносятся
восходящими потоками в пенный
продукт— концентрат. Частицы пустой
породы остаются в пульпе и образуют
отходы Ф. (в зависимости от состава
полезных ископаемых возможен и дру-
другой вариант,— когда в пену всплывает
пустая порода).
Возможность образования флота-
флотационного комплекса частица — пузы-
пузырёк зависит от физико-химич. свойств
поверхностного слоя минеральной ча-
частицы и воды. Для создания и усиле-
усиления разницы в гидратированности
366
ФЛОТАЦИЯ
разделяемых минералов к пульпе до-
добавляются флотационные реагенты,
к-рые подразделяются на: собира-
собиратели, ухудшающие смачиваемость
поверхности минералов водой, что
способствует прилипанию воздушного
пузырька к частице и улучшению
флотируемости; пенообразова-
пенообразователи, способствующие тонкому дис-
диспергированию вводимого во флотаци-
флотационную машину воздуха и образованию
устойчивой пены; модификато-
р ы, регулирующие действие собирате-
собирателей, усиливая или ослабляя их, что
способствует выделению в пенный
продукт одного минерала или опреде-
определённой группы минералов; депрес-
депрессоры, улучшающие смачиваемость
минеральных частиц, ухудшая при
этом флотируемость; активато-
р ы, улучшающие взаимодействие со-
собирателей с поверхностью минералов.
Тем не менее Ф. в ряде случаев харак-
характеризуется значительной длительно-
длительностью процесса, неполным извлечени-
извлечением компонентов и высоким расходом
дорогостоящих флотационных реа-
реагентов.
Для интенсификации различных
стадий Ф. перспективным является
использование УЗ высокой интенсив-
интенсивности, когда имеют место акустиче-
акустические течения, кавитация и кавитаци-
онная эрозия. Так, предварительное
озвучивание воды перед Ф. приводит
к существенному изменению её физи-
ко-химич. свойств: повышению окис-
окислительной способности и к структур-
структурным изменениям, влияющим на смачи-
смачиваемость поверхности минералов. При-
Применение УЗ при нормальном статич.
давлении приводит к дегазации воды,
а при избыточном — к обратному про-
процессу — газонасыщению, что позво-
позволяет поддерживать необходимую кон-
концентрацию воздушных пузырьков.
Использование при Ф. предваритель-
предварительного озвучивания воды повышает из-
извлечение минералов в концентрат,
сокращает время Ф. и расход реа-
реагентов.
УЗ-вая обработка пульпы перед
Ф. способствует удалению с поверх-
поверхности минералов окисных плёнок и
загрязнений минерального происхож-
происхождения. Если механич. методы очистки
требуют многочасовой оттирки, то
с воздействием УЗ частотой 18—
22 кГц при интенсивности 3—4 Вт/см2
загрязнения снимаются за 5—10 мин
(см. Очистка). УЗ действует также
на гидратные соли, образованные мо-
молекулами воды вокруг минеральных
частиц и воздушных пузырьков, умень-
уменьшая толщину гидратного слоя и по-
повышая этим вероятность прилипания
частицы к пузырьку. Деструкция гид-
ратных слоев наиболее эффективна
при использовании УЗ-вых установок,
работающих иод повышенным статич.
давлением.
При Ф. в УЗ-вом поле акустич. по-
потоки осуществляют наряду с механич.
мешалками интенсивное перемеши-
перемешивание пульпы и поддержание мине-
минеральных частиц во взвешенном состоя-
состоянии. В зависимости от кавитационной
стойкости частиц минералов под дей-
действием УЗ происходит их избиратель-
избирательное измельчение и разделение зёрен
различных минералов, находящихся
в сростках исходного материала (см.
Диспергирование). Существенное зна-
значение имеет избирательность измель-
измельчения. Так, при УЗ-вой обработке
бокситовой руды, состоящей из ми-
минералов каолинита и бемита, тонко-
тонкодисперсный каолинит удаляется из
флотационной машины, а обладающий
большей плотностью бемит сохраня-
сохраняется и повышает содержание ценного
компонента — окиси алюминия. УЗ
способствует разделению флотацион-
флотационного коллективного концентрата на
мономинеральные продукты, что
в обычных условиях представляет
значительные трудности.
Вследствие различия физико-хи-
мич. свойств поверхностного слоя ми-
минералов под действием УЗ происхо-
происходит избирательное разрушение реа-
гентных покрытий на отдельных ми-
минералах, изменяющее гидрофобность
их поверхности и соответственно фло-
тоактивность. Так, при воздействии
УЗ адсорбционные слои флотореаген-
тов на поверхности пирита полностью
разрушаются, а на реагентные покры-
покрытия на поверхности халькопирита
УЗ практически не действует.
УЗ эффективно применяется для
эмульгирования флотореагентов, по-
поскольку для Ф. часто используются
флотореагенты, труднорастворимые
в воде (углеводородные масла и др.).
Получение высокодисперсной эмуль-
эмульсии, однородной по гранулометрия,
составу и обладающей высокой ста-
стабильностью, повышает технология,
эффективность Ф. Кроме того, значи-
ФОКУСИРОВКА ЗВУКА
367
тельно сокращается расход флотореа-
гентов, поскольку при высокой дис-
дисперсности увеличивается общая по-
поверхность единицы массы реагсвта и
повышается извлечение полезных ис-
ископаемых.
Лит.: Глембоцкий В. А., К о л ч е-
манова А. Е., Устойчивость и методы
разрушения адсорбционных слоев при фло-
флотации, М., 1967; Глембоцкий В. А.
и др., Ультразвук в обогащении полезных
ископаемых, А.-А., 1972; Справочник по
обогащению руд, т. 2, М., 1974,
Б. А. Агранат.
ФОКУСИРОВКА ЗВУКА — созда-
создание сходящихся волновых фронтов
сферич. или цилиндрич. формы. Ф. з.
аналогична фокусировке световых
волн: в процессе её происходит кон-
концентрация энергии волны, к-рая до-
достигает максимальной величины в
фокусе, совпадающем обычно с цент-
центром кривизны сходящегося волнового
фронта. При Ф. з. осуществляется
фокусирование звукового давления р,
колебательной скорости частиц v и
интенсивности звука I. Для Ф. з.
пользуются фокусирующими система-
системами, к-рые подразделяются на активные
и пассивные; активная система пред-
представляет собой излучатель ультразву-
ультразвука с вогнутой излучающей поверхно-
поверхностью, к-рый непосредственно создаёт
сходящийся волновой фронт, а пас-
пассивная изменяет акустич. длину пути
kL (где к — волновое число, L —
геометрич. длина пути) таким обра-
образом, что преобразует плоский или рас-
расходящийся волновой фронт в сходя-
сходящийся. К пассивным фокусирующим
системам относятся акустич. линзы,
рефлекторы; УЗ-вые концентраторы
могут быть как активными, так и пас-
пассивными.
Ф. з. используется: в устройствах
для получения звукового изображения
в системах звуковидения (см. Звукови-
зор), в микроскопе акустическом, в си-
системах звуковой голографии и т. п.;
в устройствах для формирования за-
заданной диаграммы направленности
акустич. излучателей и приёмников,
в системах сканирования УЗ-вого лу-
луча в гидролокаторах, в приборах ме-
медицинской диагностики и др.; в уст-
устройствах для концентрации УЗ-вой
энергии с целью использования её
в технологич. процессах, в УЗ-вой
хирургии и т. п.
При Ф. з. существенны следующие
параметры. Угол раскрытия
сходящегося волнового фронта юпг —
угол между акустич. осью Лг и пря-
прямой BF, соединяющей центр кривизны
фронта с его краем (рис. 1). Величина
Рис. 1. Парамет-
Параметры волнового
фронта, рассмат-
рассматриваемые при фо-
фокусировке звука:
/ — фокусное рас- «
стояние; h — глу-
глубина; D — диа-
диаметр; А — верши-
вершина; F — фокус;
ь>т — угол рас-
раскрытия.
ч>т аналогична оптич. апертуре, одна-
однако может отличаться от неё, если точка
наблюдения не лежит в центре кри-
кривизны фронта. Фокусное рас-
расстояние / — расстояние от фоку-
фокуса F до поверхности фокусирующей
системы в направлении акустич. оси
фронта. При этом различают геомет-
геометрич. фокус, т. е. центр кривизны схо-
сходящегося волнового фронта, и волно-
волновой фокус — точка на акустич. оси,
в к-рой интенсивность максимальна.
Для волновых фронтов, форма к-рых
отличается от сферы или прямого кру-
кругового цилиндра, геометрич. и волно-
волновой фокус не совпадают. Конечность
длины волны УЗ приводит к дифрак-
дифракции звука, в результате чего в фокусе
образуется фокальное пятно, к-рое,
напр., для простейшего случая осесим-
метричного круглого пучка, сходяще-
сходящегося под малым углом, имеет вид ок-
окружности радиусом г0 = 0,61Я//Л, где
% — длина волны, R — радиус зрачка
фокусирующей системы. Величина г0
определяет разрешающую способность
фокусирующей системы — с уменьше-
уменьшением го разрешающая способность уве-
увеличивается. Размер зрачка D
фокусирующей системы — диаметр вы-
выходного отверстия осесимметричной
фокусирующей системы или расстоя-
расстояние между краями цилиндрич. фоку-
фокусирующей системы (рис. 1). Величины
а>т, f и D связаны соотношением:
D = 2/ tg шт «~ Цшт.
Приближённое равенство справедливо
для длиннофокусных систем, у к-рых
угол <Dm мал. Глубина волно-
волнового фронта h — расстояние от
плоскости зрачка до волнового фрон-
фронта в направлении акустич. оси A z.
Коэффициент усиления
К — отношение звукового даглоштя
368
ФОКУСИРОВКА ЗВУКА
р/, колебательной скорости Vf или
интенсивности If в фокусе к соответст-
соответствующей величине pOl v0, Io на поверх-
поверхности волнового фронта ВАВ фокуси-
фокусирующей системы в точке А её пересече-
пересечения с акустич. осью. Различают коэфф.
Кр, Kv и Kj, к-рые характеризуют
свойства фокусирующей системы как
концентратора звукового давления,
скорости или интенсивности. Величи-
Величины Кр и Kj максимальны, когда амп-
амплитуда колебательной скорости рас-
распределена по сходящемуся волновому
фронту равномерно (рис. 2,a), a Kv
максимален, если амплитуда макси-
максимальна в центре и убывает к краям
фронта по косинусоидальному закону
(рис. 2,6). Коэфф. усиления тем боль-
больше, чем больше площадь сходящегося
волнового фронта SB и меньше пло-
площадь фокального пятна Бф, т. е. К ~
~ 5ЕЛ5ф. Для сферич. фронта с рав-
равномерным распределением амплиту-
амплитуды р
К.1 = SBlfk = /QmA = kh,
где Qm = 2лA — cos (om) — телесный
угол раскрытия волнового фронта.
Для цилиндрич. фронта единичной
длины
Приближённое равенство справедли-
справедливо при малых (ото(индексом «с» обозна-
обозначен сферич. фронт, а индексом «ц» —
цилиндрич. фронт единичной длины).
Выражение для #' при косинусо-
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
Рис. 2. Распределе-
Распределения амплитуды ско-
скорости на поверх-
поверхности волнового
фронта: п — равно-
равномерное, б — коси-
нусоидальное.
идальном распределении амплитуды
v имеет вид:
К1 = (//X) 1/2 sin (ыт - к/4) X
X A — cos3 шт/3).
Коэфф. усиления интенсивности ра-
равен: Kj = Kp-Kv. На рис. 3 показаны
зависимости Rp, Kv и Kj от ч>т.
Для характеристики степени ис-
использования фокусирующих свойств
системы вводится фактор фокусирова-
фокусирования х = А7#тах — отношение имею-
имеющегося коэфф. усиления к макси-
максимально возможному при постоянном
общем потоке энергии через сходя-
сходящийся волновой фронт. Величина х
зависит только от характера распреде-
распределения амплитуды по сходящемуся
волновому фронту и угла его раскры-
раскрытия и может меняться в пределах:
О < к < 1. Для замкнутого волново-
волнового фронта при а>т = я фактор фоку-
фокусирования звукового давления макси-
максимален (¦Кр = 1) при равномерном рас-
распределении амплитуды и минимален
(у,р = 0) при косинусоидальном её
распределении. Фактор фокусирова-
фокусирования скорости х„ при этих условиях
соответственно равен 0 и 1.
/
"Ч
--*
/
/
к,
20
16
12
30 60 SO 120 150 180
/
1
/
/
г
\
1
О 30 60 90 120 150 180
Рис. 3. Зависимости коэффициентов усиления (в ус-
условных единицах) от угла раскрытия волнового фронта
для звукового давления (а), для колебательной скорости (б), для интенсивности (в):
кривые 1 и 3 — цилиндрический волновой фронт, 2 и 4 — сферический, 1 и 2 — рав-
равномерное распределение амплитуды по волновому фронту, 3 и 4 — косинусоидальное.
ФОКУСИРОВКА ЗВУКА
369
Важной характеристикой фокуси-
фокусирующей системы является распреде-
распределение звукового давления в фокаль-
фокальной области, к-рое формируется в ре-
результате интерференции волн, дифра-
0,8
0,6
0,4
0,2
\
\
1
«—к
\
х
\
> 1
/ v
4 Е
i
V
7
-Б -4 -2 0
Глубина фокальной области опре-
определяется величиной kz0 (рис. 4,6).
При проектировании фокусирующих
систем часто задаются необходимыми
размерами фокальной области в за-
заданном на-
правлении,ко-
правлении,которые зависят
от угла рас-
раскрытия wm
фок у с и р у ю-
щей системы
(рис. 5).
2 4 6
Ш 12
14 16
к*
Рис. 4. Распре-
Распределение звуко-
звукового давления в
f, главных напрат
влениях сфери-
сферического фронта в фокальной плоскости (а) и по акустиче-
акустической оси (б): 1 — для КР>100; 2 — для КР = 10.
тировавших на выходном отверстии
фокусирующего устройства (рис. 4).
Ширина главного максимума ку0 опре-
определяет диаметр фокального пятна сфе-
рич. фронта или ширину фокальной
полосы цилиндрич. фронта. Распреде-
Распределение звукового давления и ширина
главного максимума позволяют судить
о пригодности системы для исполь-
использования в конкретных устройствах.
Напр., в звуковизорах целесообразно
применять фокусирующие системы
с узким главным максимумом, а
в технологич. установках — с широ-
широким, поскольку в первом случае по-
повышается разрешающая способность,
а во втором — производительность.
В системах звукового сканирования
(гидролокаторах, приборах медицин-
медицинской диагностики и т. п.) для увели-
увеличения разрешающей способности це-
целесообразно иметь узкий главный
максимум и минимальные побочные
максимумы, чтобы избежать ошибок
при локации объекта.
о
kz0
11
\\
кУо \\\
\
\
\
•у/
к
с)
Рис. 5. Зависи-
Зависимость размеров
фокальной об-
области в фокаль-
фокальной плоскости
ку0 и по акус-
акустической оси kzo
от угла шт (с —
сферический,
ц — цилиндри-
цилиндрический фронт).
30 60 90 120 150 180
Сходящиеся волновые фронты, обра-
образованные реальными фокусирующими
системами, как правило, отличаются
от идеальных, т. е. не бывают по фор-
форме частью сферы или прямого круго-
кругового цилиндра, что обусловливает
аберрацию. Геометрич. расстоя-
расстояние А В = Д (рис. 6) между реальным
Рис. 6. Схема
определения
аберраций.
Д — волновая
аберрация;
лучевые абер-
аберрации: г' —
продольная,
у' — попереч-
поперечная, кД — фа-
фазовая.
2' и идеальным 2 волновыми фронта-
фронтами в направлении на точку наблюде-
наблюдения О наз. волновой аберра-
аберрацией, а сдвиг фаз, обусловленный
этим расстоянием и равный ф = А;Д,
наз. фазовой аберрацией.
Вызванное фазовой аберрацией сме-
смещение луча в направлении акустич.
оси наз. продольной луче-
лучевой аберрацией г'= OQ, а сме-
смещение в фокальной плоскости — по-
поперечной лучевой абер-
аберрацией у' = ОТ. Фазовая абер-
аберрация приводит к снижению интен-
интенсивности в фокусе, фокальное пятно
при этом размывается и концентра-
концентрация энергии падает. Отношение ин-
тенсивностей при наличии аберрации
/ и без неё 1т равно:
111т = 1 - Яо,
370
ФОНОН
где Ёа = ф — ф — среднеквадратич-
среднеквадратичная фазовая аберрация.
Все реальные волновые фронты об-
обладают фазовой аберрацией, к-рая
связана с неточностью изготовления
фокусирующих систем и др. факторами.
Решающую роль при Ф. з. играет
неравномерность распределения амп-
амплитуды по сходящемуся волновому
фронту, к-рая обусловлена: измене-
изменением площади первоначального вол-
волнового фронта после отражения или
преломления в фокусирующей системе
и связанным с этим перераспределе-
перераспределением энергии; зависимостью коэфф.
прохождения волны через границу
раздела сред от толщины среды; по-
поглощением волн в материале фоку-
фокусирующего устройства и окружающей
его среде; многократными отражения-
отражениями волн внутри фокусирующего уст-
устройства.
При использовании Ф. з. с целью
концентрации энергии УЗ-вых волн
интенсивность If в фокусе рассчиты-
рассчитывается по-разному в зависимости от
степени концентрации УЗ-вой энер-
энергии. Если интенсивность /0 у поверх-
поверхности излучателя и коэфф. усиления
фокусирующей системы невелики, то
поглощение волн происходит по экс-
экспоненциальному закону и интенсив-
интенсивность
iu W .
Sin»
где W — входная мощность звука,
у — коэфф. поглощения звука. В жид-
жидких средах, где коэфф. поглощения
пропорционален квадрату частоты,
можно положить у — 6Я, где Ъ —
постоянная величина, определяемая
свойствами среды. Существует опти-
оптимальная длина волны Я = Хопт, при
к-рой интенсивность в фокусе макси-
максимальна. Для цилиндрич. фронта еди-
единичной длины
0ПТ * fmax /о ,; Лопт
цля сферич. фронта
Существование оптимальной длины
волны и соответственной ей частоты
определяется тем, что, с одной сторо-
стороны, с увеличением частоты увеличи-
увеличивается концентрация энергии вследст-
вследствие роста коэфф. усиления, а с дру-
другой — возрастает поглощение энергии
в среде.
При Ф. з. большой интенсивности
возникает нелинейное поглощение
звука в среде, к-рое может возрасти
с увеличением интенсивности 10 столь
сильно, что наступит равновесие меж-
между подводимой и поглощаемой энер-
энергией, вследствие чего интенсивность
в фокусе If останется постоянной, не-
несмотря на увеличение интенсивности
у поверхности излучателя.
При использовании Ф. з. в устрой-
устройствах интенсификации технология,
процессов под действием УЗ свойства
фокусирующей системы характеризу-
характеризуют производительностью Пр и ин-
индексом производительности И. Ве-
Величина Пр характеризует степень
пригодности фокусирующей системы
для проведения заданного техноло-
гич. процесса и определяется ф-лой:
Пр = IKVnIW, где 1„ — критич. ин-
интенсивность, при к-рой начинает про-
протекать технология, процесс, в объёме
VK, W — затрачиваемая акустич. мощ-
мощность.
Индекс производительности И =
пл
= Пр*ок /Пртах, где ПрФ0К — произ-
производительность фокусирующего излу-
ПЛ
чателя, а Пртах — максимальная про-
производительность плоского излучателя
той же мощности.
Величина И характеризует степень
уменьшения эффективности УЗ-вого
преобразователя вследствие фокуси-
фокусирования звуковых волн.
Лит.: Розенберг Л. Д., Звуковые
фокусирующие системы, М.— Л., 1949;
его ж е, в кн.: Источники мощного ультра-
ультразвука, М., 1967, ч. 3; Тартаков-
с к и й Б. Д., «Акуст. ж.», 1958, т. 4, № 4,
с. 355 — 60; Каневский И. Н., Фо-
Фокусирование звуковых и ультразвуковых
волн, М., 1977. И. Н. Каневский.
ФОНОН — квант энергии звуковой
волны, определяемый по аналогии
со световыми квантами — фотонами.
Квантовые свойства звуковых волн
в кристалле проявляются в том, что
существует наименьшая порция энер-
энергии колебаний кристалла с данной
частотой. Это и позволяет сопоставить
звуковой волне в кристалле квазича-
квазичастицы — Ф. Понятие «Ф.» вводится
при рассмотрении физич. свойств
кристалла (теплоёмкости, теплопро-
теплопроводности, электросопротивления и др.)
как энергия одного из возможных
ФОНОН
371
нормальных колебаний в кристалле
(см. Колебания кристаллической ре-
решётки). Энергия Ф. равна: е = Ьч>,
а импульс р = Hk + ft, где Й = h/2n,
h — Планка постоянная, со = 2я/,
/ — частота звука, с — скорость его
распространения, к = пч>/с — волно-
волновой вектор, п — единичный вектор в
направлении распространения волны,
Ь — вектор обратной кристаллич. ре-
решётки.
Плотность полной колебательной
энергии атомов кристалла определя-
определяется суммой энергий всех Ф.:
2 4)
h; v
где v = 1, 2, ..., Зг — индекс поляри-
поляризации Ф., характеризующий направ-
направление колебаний и позволяющий раз-
различить продольные и поперечные Ф.,
г — число атомов в элементарной ячей-
ячейке кристалла, nftv — число Ф. с дан-
данным волновым вектором к и поляри-
поляризацией v в единице объёма. Среднее
число Ф. в единице объёма определя-
определяется ф-лой Планка:
(Т — абсолютная темп-pa, кБ —
Болъцмана постоянная), совпадающей
с распределением частиц газа, под-
подчиняющихся статистике Бозе — Эйн-
Эйнштейна, когда химич. потенциал ра-
равен нулю; оно не сохраняется посто-
постоянным, а зависит от температуры,
т. е. Ф. могут рождаться и уничто-
уничтожаться.
Нижняя граница частотного спект-
спектра Ф. определяется размерами кри-
кристалла и скоростью звука, верхняя
а>т — периодом кристаллич. решётки.
Число Ф. nv увеличивается с увели-
увеличением частоты Ф. вплоть до предель-
предельного значения wm. Ф., так же как и
колебания кристаллич. решётки, раз-
разделяются на акустические и оптиче-
оптические. Акустич. Ф.— это кванты обыч-
обычного звука в кристалле. Оптич. Ф.
лежат в диапазоне более высоких
частот, сравнимых с оптическими, и
существуют в кристаллах со слож-
сложной структурой элементарной ячейки.
В области высоких частот акустич.
Ф. обладают дисперсией (рис. 1), т. е.
их фазовая скорость зависит от ча-
частоты.
Наряду с тепловыми Ф., всегда су-
существующими в кристалле, в нём
могут быть возбуждены искусствен-
искусственно т. н. когерентные Ф.— гиперзвуко-
гиперзвуковые волны (см. Гиперзвук).
Ф. взаимодействуют как между со-
собой, так и с другими частицами (элек-
тровами проводимости, магнонами и
т. п.). Сталкиваясь с другими Ф. или
Рис. 1. Диспер-
Дисперсионные характе-
характеристики фононно-
го спектра: 1 —
акустические и
2 — оптические
ветви; <о'т, шит,
шт — предель-
I ные частоты
-? — акустических
~ -у к фононов.
другими частицами, Ф. частично или
полностью передаёт им свою энергию;
при этом могут возникать новые Ф.,
импульс и, следовательно, напрарле-
ние распространения к-рых отличают-
отличаются от направления первичных Ф., т. е.
имеет место рассеяние Ф. (см. Нели-
Нелинейное взаимодействие). Спектром
Ф. и их взаимодействием определяют-
определяются тепловые свойства кристаллов:
теплоёмкость, теплопроводность, теп-
тепловое расширение и др. Следствием
взаимодействия с тепловыми Ф. яв-
является рассеяние когерентных Ф.,
от к-рого зависит поглощение звука
в кристалле. При этом взаимодействие
Ф. определяется ангармонизмом кри-
кристаллич. решётки, т. е. нелинейностью
упругих свойств кристалла. Ряд эф-
эффектов имеет место при взаимодейст-
взаимодействии Ф. с электронами проводимости
(см. Взаимодействие ультразвука с
электронами проводимости, Акусто-
электрический эффект). Особенно
сильно взаимодействие акустич. Ф.
с электронами в пьезополупроводни-
ках, что используется для усиления
когерентных Ф. (см. Усиление ультра-
ультразвука в полупроводниках). Рассеяние
электронов проводимости при взаимо-
взаимодействии с Ф.— основной механизм
электросопротивления. Способность
электронов проводимости излучать и
поглощать Ф. приводит к притяжению
электронов друг к другу, что при
низких темп-pax является причиной
перехода ряда металлов в сверхпро-
сверхпроводящее состояние;
В магнитоупорядоченных кристал-
кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках,
ферритах) Ф. могут взаимодейство-
372
ФОТОН
вать с атомными магнитными момен-
моментами (спинами), колебания к-рых
можно представить в виде т. н. спино-
спиновых волн или связанных с ними ква-
зичаотиц — магнонов. В результате
взаимодействия Ф. с магнонами при
определённых условиях магнон мо-
может превратиться в Ф. и наоборот
(см. Магнитоупругие волны).
Изменение показателя преломления
электромагнитной волны под дейст-
действием упругой волны, а также воз-
возникновение упругой волны под дейст-
действием электромагнитной волны в ре-
результате эффекта электрострикции
могут быть представлены как взаи-
взаимодействие Ф. с фотонами. Приме-
Примерами такого взаимодействия являют-
являются дифракция света на ультразвуке,
а также спонтанное и вынужден-
вынужденное Манделъштама — Вриллюэна рас-
рассеяние.
Ф. взаимодействуют также с раз-
различными дефектами кристалла: ва-
вакансиями, дислокациями, инородными
примесями, с границами кристалли-
кристаллитов и поверхностью всего образца.
Дефекты увеличивают рассеяние и
поглощение Ф. в кристалле. Наличие
вакансий или примеси приводит при
определённых условиях к появлению
частот колебаний решётки, лежащих
выше предельной сот.
Исследования Ф. (фононного газа)
можно производить прямыми или кос-
косвенными методами. Последние связаны
с измерениями тепловых свойств ве-
вещества, а также с исследованием рас-
рассеяния частиц (нейтронов, фотонов)
на тепловых Ф. Прямые методы — это
акустич. эксперименты (напр., изме-
измерения скорости и поглощения звука)
на гиперзвуковых частотах. Свойства
Ф. изучают также в экспериментах
по распространению тепловых импуль-
импульсов (импульсов Ф.), проводимых при
сверхнизких темп-pax. Исследования
тепловых импульсов позволяют опре-
определить скорость тепловых Ф., их рас-
рассеяние и времена релаксации в кри-
кристаллах. Тепловые импульсы созда-
создаются путём разогревания плёночных
проводников 2 (рис. 2) короткими им-
импульсами тока, СВЧ импульсами или
лазерными импульсами. Прошедшие
через исследуемый кристалл (напр.,
А12О3) тепловые Ф. регистрируются
сверхпроводящими плёночными боло-
болометрами 4.
При нек-рых условиях в газе тепло-
тепловых Ф. можно возбудить волны фо-
нонной плотности, т. н. второй звук,
скорость к-рогос2 — е/Уз,
где с — скорость обычного
звука в кристалле. Вто-
Второй звук впервые наблю-
наблюдался в жидком гелии.
В твёрдых телах второй
звук наблюдался в моно-
Рис. 2. Схема эксперимента
с тепловыми импульсами: 1 —
генератор импульсов тока;
2 — плёночный проводник;
3 — образец; 4 — детектор
(болометр); 5— усилитель;
6 — осциллограф.
кристаллах твёрдого гелия методом
тепловых импульсов при Т = 0,51 К
и давлении 54 атм, скорость его с2 =
= 160 м/с.
Лит.: Косевич А. М., Основы меха-
механики кристаллической решетки, М., 1972;
Рейсленд Дж., Физика фононов, пер.
с англ., М., 1975; Физическая акустика,
под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 5, М.,
1973, гл. 6: П и т а е в с к и й Л. П., Вто-
Второй звук в твердом теле, «Успехи физ.
наук», 1968, т. 95, в. 1. В. Е. Лямов.
ФОНОННОЕ ЭХО — то же, что элек-
электроакустическое эхо.
ФОНОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙ-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — см. Нелинейные взаимодей-
взаимодействия в твёрдых телах.
ФОТОН — квант поля электромаг-
электромагнитного излучения. Ф. обладает энер-
энергией е = hv, где v — частота эквива-
эквивалентной Ф. электромагнитной волны,
распространяющейся со скоростью
с = 299,79-106 м/с, h — Планка по-
постоянная. При частотах, соответст-
соответствующих оптич. диапазону, Ф. наз.
также световыми квантами, а при ча-
частотах, превышающих — 1018 Гц,—
гамма-квантами. Ф. не имеет ни элек-
трич. заряда, ни магнитного момента.
Спин Ф. равен 1 (в единицах Й, где
h ¦= h/2n), а его импульс р = в/с
и направлен в сторону распростране-
распространения волны. Ф. подчиняется статисти-
статистике Бозе — Эйнштейна.
Ф. участвуют во взаимодействиях
со всеми элементарными частицами,
в т. ч. с фононами (см. Дифракция
света на ультразвуке, Мандельшта-
Мандельштама — Вриллюэна рассеяние).
ФОТОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙ-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — см. Дифракция света на
ультразвуке, Мандельштама — Врил-
Вриллюэна рассеяние.
X, Ч
ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТ-
УЛЬТРАЗВУКА — изменение скорости про-
протекания химич. реакций в УЗ-вом
поле или возникновение химич. реак-
реакций, обусловленных действием ультра-
ультразвука.
К первой группе эффектов, характе-
характеризующихся изменением скорости ре-
реакции, относятся: ускорение гидроли-
гидролиза диметилсульфата, восстановление
платинохлористоводородной кислоты
с образованием каталитически высоко-
высокоактивной металлич. платины, разло-
разложение диазосоединении с образованием
соответствующих ароматич. углеводо-
углеводородов, ускорение эмульсионной по-
полимеризации стирола, метакрилата и
других непредельных соединений, ус-
ускорение нек-рых каталитич. реакций
и т. д. Это ускорение обусловлено дей-
действием различных физико-химич. эф-
эффектов, связанных с УЗ: дегазацией,
диспергированием, эмульгированием, ло-
локальным нагреванием и др. Ко второй
группе относятся все эффекты возник-
возникновения химич. реакций под дейст-
действием УЗ, к-рые в большинстве случаев
наблюдаются лишь после возникнове-
возникновения в жидкости кавитации. Звукохи-
мич. превращения наблюдаются при
интенсивности УЗ от долей Вт/см2 до
десятков или сотен Вт/см2 на частотах
от 1 кГц до нескольких МГц. Т. к.
эти частоты на много порядков мень-
меньше собственных частот колебаний мо-
молекул, химич. изменений в системе
вследствие резонансного поглощения
УЗ не наблюдается и варьирование
частоты в указанном диапазоне мало
сказывается на характере возникаю-
возникающих реакций.
X. д. у. при кавитации в ряде слу-
случаев можно отнести за счёт образова-
образования на стенках кавитационной поло-
полости электрич. микрозарядов и после-
последующего электронного пробоя. Одна-
Однако многие экспериментальные факты
в рамках такого представления объ-
объяснить не удаётся. Более оправданным
является представление о тепловом
механизме химич. действия кавита-
кавитации, т. к. при адиабатич. сжатии
кавитационного пузырька темп-ра
в нём может достигать 10*К; это пред-
представление подтверждается экспери-
экспериментальными данными.
Большинство химич. превращении
под действием УЗ происходит в водных
растворах. При высокой темп-ре моле-
молекулы воды внутри кавитационного
пузырька переходят в возбуждён-
возбуждённое состояние и расщепляются на
радикалы Н, ОН, а также, возможно,
ионизируются с образованием гидра-
тированных электронов e~q, т. е.
электронов с присоединёнными к ним
нейтральными молекулами воды. Ча-
Частично радикалы рекомбинируют, при-
причём состав конечных радикальных
и молекулярных продуктов разложе-
разложения воды в УЗ-вом поле зависит от
природы растворённого в воде газа.
В присутствии инертных газов (Не,
Ne, Аг, Кг, Хе) конечными продукта-
продуктами являются Н, ОН, e'aq, Н2, Н2О2.
В атмосфере кислорода первоначаль-
первоначально образовавшиеся радикалы Н и е~1с
с наибольшей скоростью реагируют
с 02 и основными продуктами рас-
расщепления воды являются Н02, 01,
ОН и НаО2; в атмосфере водорода раз-
разнообразие продуктов разложения во-
воды наименьшее и образуются только
Н, e~q, H2.
Химич. реакции, возникающие
в жидкости при распространении УЗ,
можно подразделить на четыре типа:
1) окислительно-восстановительные ре-
реакции, протекающие в жидкой фазе
между растворёнными веществами и
продуктами расщепления внутри ка-
кавитационного пузырька молекул раст-
растворителя (воды) и газов, напр, окисле-
окисление KI, FeSO4, H3PO3, Na3As03, бен-
бензойной кислоты и др., восстановление
KMnO4, Ce(SO4J, K3[Fe(C2O4K] и др.;
2) реакции между растворёнными га-
газами, водой и веществами с высокой
упругостью пара, находящимися вну-
внутри кавитационного пузырька, напр,
образование NO2 из N2 и 02, NH3 из
N2 и Н2, НСНО из СН4 и Н20; 3) цеп-
цепные реакции в растворе, инициируе-
инициируемые радикалами, появляющимися в ре-
результате расщепления в кавитацион-
кавитационной полости к.-л. вещества, помимо
374
ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА
воды, напр, стереоизомеризация ма-
леиновой кислоты или её эфиров в фу-
маровую, сенсибилизируемая атомами
Вг, йолученными при расщеплении
в кавитационном пузырьке Вг2 или
алкилбромидов; 4) звукохимич. ре-
реакции с участием макромолекул. Ре-
Реакции этого типа, в отличие от преды-
предыдущих, могут инициироваться УЗ
и в отсутствии кавитации, в случае
механич. деструкции первоначально
присутствующих в системе молекул
полимеров: под действием звукового
поля происходит механич. разрыв
макромолекул, а полученные макро-
макрорадикалы способны инициировать по-
полимеризацию.
На химич. реакции затрачивается
лишь часть поглощённой веществом
энергии акустич. колебаний. Для зву-
звукохимич. реакций, протекающих в рас-
растворах, отношение энергии, затрачен-
затраченной на расщепление молекул воды
(химико-акустич. энергии Еха), к об-
общей поглощённой акустич. энергии
Е наз. химико-акустическим кпд т)ха.
При отсутствии в водном растворе
веществ с высокой упругостью насы-
насыщенного пара внутри кавитационных
пузырьков содержатся лишь пары
воды и растворённый в ней газ; при
этом энергия УЗ затрачивается в лю-
любом водном растворе лишь на расщеп-
расщепление молекул воды и т)ха зависит
только от природы растворённого газа.
Напр., для реакций 1-го типа в атмо-
атмосфере аргона т)ха = 1,5-10~3 вне за-
зависимости от конкретного состава рас-
раствора.
Основной энергетич. характеристи-
характеристикой звукохимич. реакций является
энергетич. выход, к-рый выражается
числом молекул продукта, образо-
образовавшихся при затрате 100 эВ химико-
акустич. энергии. Энергетич. выход
продуктов окислительно-восстанови-
окислительно-восстановительных реакций обычно не превышает
нескольких молекул на 100 эВ Еха,
а для цепных реакций он достигает
тысяч молекул на 100 эВ Еха.
Кинетика звукохимич. реакций оп-
определяется скоростью образования и
расходования радикалов. Она имеет
ряд особенностей, напр.: для нек-рых
реакций характерны эффекты после-
последействия, т. е. эти реакции, возникшие
под действием УЗ-вых волн, проте-
протекают в растворе в течение многих ча-
часов после отключения УЗ; для реак-
реакций с участием макромолекул необ-
необходимо учитывать суперпозицию меха-
нодеструкции с реакциями радика-
радикалов, образующихся в режиме кавита-
кавитации (при достаточной интенсивности
ультразвука).
Особенностью звукохимич. реакций
является импульсный характер обра-
образования радикалов вследствие синфаз-
синфазного захлопывания кавитационных пу-
пузырьков (по аналогии с импульс-
импульсным характером звуколюминесценции).
Темп-pa внутри пузырька распределе-
распределена неравномерно, с максимумом в его
центре; соответственно и пространст-
пространственное распределение радикалов име-
имеет аналогичную форму (сферически
симметричное гауссово распределе-
распределение). Пузырёк представляет собой
автономную с точки зрения характера
протекающих реакций систему — ра-
радикалы, образовавшиеся в соседних
пузырьках, практически не взаимодей-
взаимодействуют между собой. Минимальный
радиус кавитационного пузырька
(гт > 10~3 см) и первоначальное число
радикалов в нём ( — 10* — 106) на мно-
много порядков превышают как размеры
локальных областей ионизации жид-
жидкости («шпор»), образующихся при
распространении ионизирующих из-
излучений, и количество радикалов
в каждой из них (напр., при действии
Y-лучей их не больше 10), так и число
радикалов в «клетке» при фотолизе.
X. д. у. по сравнению с фотолизом,
ионизирующими излучениями, удар-
ударными волнами и другими физич. мето-
методами воздействия на вещество име-
имеет следующие характерные особенно-
особенности: первоначальное пространствен-
пространственное разделение радикалов и раство-
растворённого вещества, участие инертных
газов в физико-химич. процессах
внутри кавитационного пузырька и
двойственная роль химически актив-
активных газов, импульсный характер гене-
генерирования радикалов, концентрация
энергии в центральной части кавита-
кавитационного пузырька.
В большинстве технологич. процес-
процессов в растворах, связанных с приме-
применением УЗ, возникают различные хи-
химич. реакции. Напр., уже в простей-
простейшем случае воздействия УЗ на воду,
в к-рой растворён воздух, образуются
окислы азота и перекись водорода.
Это обстоятельство следует учитывать
при разработке и проведении различ-
различных технологич. процессов. Во многих
случаях целесообразно использовать
ХИРУРГИЯ
375
УЗ-вые волны для инициирования хи-
мич. реакций, осуществления ряда
новых путей синтеза и ускорения мед-
пенных реакций в системе. Несмотря
на значительное разнообразие звуко-
химич. реакций, в настоящее время
предпринимаются лишь первые шаги,
направленные на их промышленное
внедрение, напр, для процессов поли-
полимеризации нек-рых мономеров. Воз-
Возможность возникновения звукохимич.
реакций в животных и растительных
клетках необходимо учитывать при
применении ультразвука в биологии,
медицине, фармакологии и других
областях.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук и его
применение в науке и технике, пер. с нем.,
2 изд., М., 1957; Э л ь п и н е р И. Е., Ульт-
Ультразвук, Физико-химическое и биологическое
действие, М., 1963; Маргулис М. А.,
«Акуст. ж.», 1969, т. 15, в. 2, с. 153—73;
его же, «Ж. физ. химии», 1976, т. 50, в. 1,
С. 3 —18, М. А. Маргулис.
ХИРУРГИЯ ультразвуко-
ультразвуковая — хирургия, основанная на при-
применении УЗ-вых методов. Для раз-
разрушения тканей в хирургии применя-
применяются два УЗ-вых метода: первый ос-
основан на разрушении тканей орга-
организма собственно УЗ-выми колеба-
колебаниями, второй связан с наложением
УЗ-вых колебаний на хирургический
инструмент.
В первом случае используется как
непосредственный контакт УЗ-вого из-
излучателя с тканью, так и воздействие
на ткани фокусированным УЗ (см.
Фокусировка звука). Применение фоку-
фокусированного УЗ особенно целесооб-
целесообразно для создания локальных раз-
разрушений в глубинных тканях орга-
организма, напр, в структурах головного
мозга. Рабочим элементом фокуси-
фокусирующего излучателя в этом случае
служит вогнутая пьезокерамич. пла-
пластинка 2 (рис. 1), резонансная частота
к-рой обычно выбирается в диапазоне
0,5—4 МГц. Для создания гисто-
гистологически различимых разрушений
в мозге необходимо, чтобы интенсив-
интенсивность УЗ в фокальной области и время
УЗ-вого воздействия были в опреде-
определённой зависимости (рис. 2). (Аппа-
(Аппаратура, подобная изображённой на
рис. 1, применялась для нек-рых ней-
рохирургич. операций на головном
мозге человека. Были достигнуты по-
положительные результаты при лечении
болезни Паркинсона, а также заболе-
заболеваний, связанных с возникновением
непроизвольных беспорядочных дви-
движений, фантомных болей и других
ощущений беспокойства.
Разрушения тканей под действием
фокусированного УЗ связаны с двумя
Рис. 1. Блок-схема фокусирующей ультра-
ультразвуковой аппаратуры для создания ло-
локальных разрушений в глубинных струк-
структурах головного мозга: 1 — фокусирую-
фокусирующий излучатель; 2 — вогнутая пьезоке-
рамическая пластинка; з — корпус из-
излучателя; 4 — конус", S — съёмный ука-
указатель фокуса; 6 — фокальная область;
7 — мешок из тонкой звукопрозрачной
плёнки; 8 — облучаемый объект; 9 — де-
дегазированная вода; Ю — координатное
устройство, на котором укрепляется из-
излучатель; 11 — ультразвуковой генера-
генератор; 12 — генератор модулирующих им-
импульсов.
факторами: теплом, к-рое выделяется
при поглощении УЗ тканями, и яв-
явлением кавитации (см. также Действие
кг3 кг2 кг1 i
Длительность, с
Ш
Рис. 2. Интенсивности ультразвука в фо-
фокальной области и длительности ультра-
ультразвукового воздействия, необходимые для
создания разрушений в мозге при частоте
¦1 МГц.
ультразвука на биологические объек-
объекты). В зависимости от выбранной ин-
интенсивности УЗ тот или иной фактор
оказывает преобладающее действие.
При сравнительно небольших интен-
сивностях УЗ (до нескольких сотен
Вт/см2) и продолжительном воздейст-
воздействии (до единиц и десятков с) основную
роль играет тепловой фактор. При
очень больших интенсивностях (не-
(несколько тысяч Вт/см2) и при малых
длительностях облучения (единицы —
десятки мс) решающее значение при-
приобретают кавитационные аффекты. Су-
Существуют и нек-рые промежуточные
376
ХЛАДНИ ФИГУРЫ
УЗ-вые дозы, при к-рых оба фактора
проявляются совместно. Разрушение
тканей при непосредственном контакте
их с УЗ-вым инструментом определя-
определяется в основном теми же факторами.
Этот метод используется, напр., для
воздействия УЗ на опухоли, в т. ч.
и злокачественные.
Второй метод УЗ-вой X. связан
с наложением УЗ-вых колебаний на
хирургич. инструмент и применяется
при резке мягких тканей и распили-
распиливании костей. Для этой цели приме-
применяются УЗ-вые инструменты на час-
частоту 20—50 кГц с магнитострикцион-
ными или составными пьезокерамич.
преобразователями стержневого типа
и УЗ-вымИ концентраторами, обычно
двухступенчатыми, так что колеба-
колебательная система имеет трёхполувол-
новую длину. В зависимости от цели
предстоящей операции конец второй
(съёмной) ступени затачивается в виде
скальпеля для резки мягких тканей
или пилки для распиливания костей;
применяется также заточка рабочего
конца инструмента в виде долота,
распатора, иглы и т. п. Амплитуда
колебательного смещения режущего
инструмента обычно составляет не-
несколько десятков мкм. В итоге сни-
снижаются усилия резания, уменьшается
травматичность операции, достигает-
достигается большая мягкость и манёврен-
манёвренность работы с инструментом, обеспе-
обеспечивается гемостатич. эффект (предот-
(предотвращение кровотечений), уменьша-
уменьшаются болевые ощущения, снижается
трудоёмкость операции (так, распи-
распиливание костей занимает не более не-
нескольких мин).
УЗ применяется также при хирур-
хирургич. операциях, связанных с соедине-
соединением сломанных или намеренно рас-
рассечённых в ходе операции костей.
При этих операциях пространство
между сломанными костями заполня-
заполняется костной стружкой, смешанной
с жидкими пластмассами, напр, циак-
циакрином. УЗ-вые колебания способст-
способствуют более глубокому проникновению
циакрина в поры костной ткани и вы-
вызывают ускоренную его полимериза-
полимеризацию, вследствие чего образуется на-
надёжное соединение отломков на пе-
период естественных процессов регене-
регенерации костей. Использование этого
хирургич. метода позволяет, в част-
частности, избежать применения метал-
лич. конструкций, к-рые требуется
удалять из организма в повторной
операции.
УЗ-вые методы резки и соединения
тканей успешно применяются в кли-
нич. и экспериментальной хирургии
и травматологии (резка и соединение
костей конечностей, операции на груд-
грудной клетке и внутренних органах, ле-
лечение переломов, соединение костей
позвоночника и т. д.), в оторинола-
оториноларингологии (операции на трахее, в по-
полости носа, гортани и т. д.), в офталь-
офтальмологии (операции на орбите и в раз-
различных участках глаза), в нейрохи-
нейрохирургии (операции на костях черепа и
на головном мозге). Контактное воз-
воздействие УЗ-выми инструментами со
специальными наконечниками приме-
применяют также в оториноларингологии
для удаления новообразований и в оф-
офтальмологии при операциях по поводу
отслойки сетчатки и для механич.
дробления содержимого хрусталика
на мелкодисперсные частицы (т. н.
УЗ-вая факоэмульсификация ката-
катаракты). Специальные исследования
послеоперационного состояния боль-
больных подтвердили безвредность УЗ-вых
хирургич. методов.
Лит.: Гаврилов Л. Р., Применение
фокусированного ультразвука высокой ин-
интенсивности для локального воздействия на
ткани организма, «Акуст. ж.», 1971, т. 15,
в. 3; Петровский Б. В., Петров
В. И., Л о щ и л о в В. И., Ультразвуковая
резка и сварка биологических тканей (в то-
торакальной хирургии), М., 1972; Поля-
Поляков В. А, и др., Ультразвуковая сварка
костей и резка живых биологических тка-
тканей, М., 1073; Г о л я м и н а И. П., в кн.:
Acoustics 1974. Invited Lectures, L., 1975,
p. 63—69. Л. Р. Гаврилов.
ХЛАДНИ ФИГУРЫ — фигуры,
образуемые накапливанием вблизи
узловых линий мелких частиц сухого
песка, насыпанного на поверхность
колеблющейся пластинки или другой
механич. системы. Каждому собствен-
собственному колебанию (стоячей волне) пла-
пластинки соответствует своё расположе-
расположение узловых линий. На свободной
Рис. 1. Фигуры Хладни: а —на круглой
и б — на прямоугольной пластинках.
ЭЛЕКТРЕТЫ
377
круглой пластинке (рис. 1,а) узло-
узловые линии могут быть круговыми
или радиальными; на прямоугольной
(рис. 1,6) или треугольной пластин-
пластинке они параллельны сторонам или диа-
диагоналям. Меняя места возбуждения
и закрепляя пластинки в разных точ-
точках, можно получить разнообразные
X. ф. (рис. 2). X. ф. используются
Рис. 2. Фигуры Хладни на
квадратной пластинке, за-
закреплённой в центре: а — а
точки дополнительного за-
закрепления; б — места возбуж-
возбуждения.
в дефектоскопии (т. н. топография, ме-
метод) для исследования изделия в це-
целом (например, пластинки или обо-
оболочки).
ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ — число
/ полных циклов колебаний за одну
секунду. Единица частоты — Герц
(Гц) — одно колебание за одну се-
секунду. Ч. к. связана с периодом коле-
колебания Т соотношением / = II Т. В слу-
случае периодич. процесса, носящего
характер отдельных импульсов, раз-
разделённых паузами, говорят о частоте
повторений. Для гармонических ко-
колебаний удобно пользоваться вели-
величиной со = 2я/, называемой цик-
циклической или круговой
частотой. В технике применяют-
применяются колебания всего достижимого диа-
диапазона частот — от самых малых до
самых больших. Например, при изу-
изучении внутреннего трения в металлах
и в полимерах доходят до колебаний
частотой всего в доли Гц. В ультра-
ультразвуковой технологии применяют упру-
упругие волны, частотой от нескольких со-
сотен Гц до сотен кГц. При изучении
физич. свойств веществ и внутри- и
межмолекулярных процессов исполь-
используют колебания частотой от единиц
МГц до десятков ГГц.
э.я
ЭЛЕКТРЕТЫ — диэлектрики, спо-
способные длительное время находиться
в наэлектризованном состоянии.
Наиболее распространены Э. из
органич. диэлектриков — высокомо-
высокомолекулярных (политетрафторэтилен и
сополимеры тетрафторэтилена, поли-
винллиденфторид, поликарбонаты, по-
полиамиды, полиметилметакрилат, по-
лиэтилентерефталат, эбонит, карна-
убский и пчелиный воск) и низкомоле-
низкомолекулярных (парафин, нафталин, ант-
антрацен, дифенил) и неорганич. диэлек-
диэлектриков (сера, селен, слюда, стёкла,
ситаллы, стеатит, титанаты щёлочно-
щёлочноземельных металлов СаТЮ3, SrTiO3
и др., сернистые цинк и кадмий).
0. подразделяются на группы в за-
зависимости от способа получения.
Термоэлектреты образуют-
образуются при нагревании диэлектрика до
темп-ры стеклования или фазового пе-
перехода (или выше этой темп-ры) с по-
последующим охлаждением его в постоян-
постоянном электрич. поле. Под воздействи-
воздействием поля, вследствие высокой подвиж-
подвижности диполей, ионов, электронов, по^
следние ориентируются или смещаются,
образуя ориентационную дипольную
поляризацию, поляризацию на грани-
границе раздела фаз (поляризацию Макс-
Максвелла — Вагнера — Силларса) или
поляризацию смещения (рис. 1). При
охлаждении в поле эта поляризация
«замораживается», и в диэлектрике
образуются поверхностные заряды,
противоположные по знаку потенциа-
потенциалам на прилегающих электродах (г е-
терозаряды). Такие гетероза-
ряженные Э. являются электрич. ана-
378
ЭЛЕКТРЕТЫ
логами постоянных магнитов. В полях
высокой напряжённости и при нали-
наличии воздушных зазоров между элек-
тродами и поверхностью диэлектрика
происходят электрич. разряды, при
к-рых носители зарядов (ионы и элек-
электроны) инжектируются в диэлектрик и
Рис. 1. Схрма по-
получения электрета
в результате ин-
инжектирования за-
зарядов (J), ориен-
ориентации диполей B)
и смещения ионов
захватываются энергетич. ловушка-
ловушками — центрами захвата, расположен-
расположенными на поверхности диэлектрика и
в приэлектродных областях (обычно
на глубине до 1 мкм). При этом на
поверхности диэлектрика образуются
заряды, знак к-рых совпадает со зна-
знаком потенциалов на прилегающих
электродах (г о м о з а р я д ы). Плот-
Плотность поверхностного заряда на об-
образце Э. оэ равна разности плотно-
плотностей гомозарядов аг и гетерозарядов
Р : аэ = аг — Р. Источником носи-
носителей зарядов, поступающих в ди-
диэлектрик, может служить холодная
эмиссия электронов и разряды в за-
зазоре, в результате которых могут об-
образовываться как электроны, так и
ионы.
Э. из полимерных диэлектриков, по-
поверхностные заряды к-рых обуслов-
обусловлены поляризацией, могут быть
получены при проведении в элек-
электрич. поле высушивания плёнки по-
полимера из раствора, отверждения
или вулканизации полимера (х е м о-
электреты), а в отсутствии по-
поля — механич. деформацией полимера
(механоэлектреты). Э. с ин-
инжектированными зарядами могут
быть получены выдержкой диэлектри-
диэлектриков в полях высокой напряжённости
(ялектроэлектреты), обра-
обработкой их коронным разрядом (к о-
роноэлектреты), воздействи-
воздействием пучком заряженных частиц, ра-
радиоактивного излучения, статич. элек-
электричества (напр., при трении), при от-
отрыве от подложек диэлектрич. плёнок,
разрыве контакта металл — диэлек-
диэлектрик. Фотоэлектреты полу-
получаются при освещении фотопроводя-
щих диэлектриков в злектрич. поле.
При этом происходит оптич. переза-
перезарядка примесных центров. Под воз-
воздействием света электроны перехо-
переходят из валентной зоны в зону прово-
проводимости и после смещения в электри-
электрическом поле захватываются на свобод-
свободных уровнях, а смещённые полем дыр-
дырки локализуются на заполненных
уровнях.
Важнейшие характеристики Э.: по-
поверхностная плотность зарядов о,„
потенциал поверхности Vg и время
релаксации т;, зарядов (т. н. время
жизни). Для плоской электретной
пластинки F3 = La.Jee0, где L —
толщина образца, ео = 8,85-102
Ф/м — абсолютная диэлектрич. про-
проницаемость вакуума, е — диэлектрич.
проницаемость диэлектрика.
Максимальная величина плотности
гетерозаряда Ро, обусловленная ди-
польной ориентацией, связана с е со-
соотношением:
Ро = воМТш)-(Тк))ЕшЯ1
я» е0 (ест — е<х>) Еп,
где Еп — напряжённость поляризую-
поляризующего поля, и(Т„) и еG1к) — значе-
значения диэлектрич. проницаемости при
темп-ре поляризации и комнатной
темп-ре (т. е. темп-ре, до к-рой охлаж-
охлаждался образец в поле), ест И8Ж — зна-
значение диэлектрич. проницаемости при
низких частотах (ю —»• 0) и высоких
частотах (и —* оэ) соответственно.
Максимально возможная поверх-
поверхностная плотность заряда Э. от опре-
определяется электрич. прочностью сре-
среды, геометрич. размерами образца
Э. и его диэлектрич. свойствами.
В нормальных условиях хранения на
воздухе
от = 100еГ1 [200 + (Зг/Ьу/г]2.
На пластинках толщиной L =
= 1—2 мм можно получить оэ =
= 3—5-Ю"8 Кл/м2 (термоэлектрет из
полиметилметакрилата), на плёнках
с L = 10 мкм о3 = Ю-3—10-* Кл/м2
(термо- и короноэлектреты из поли-
политетрафторэтилена, полиэтилентере-
фталата, поликарбоната). Со време-
временем наблюдается уменьшение поверх-
поверхностных зарядов Э., обычно более
быстрое в первое время после изготов-
изготовления Э., а после периода стабилиза-
стабилизации заряды Э. меняются незначитель-
незначительно в течение длительного времени. Для
лучших Э., применяемых в электро-
электроакустических преобразователях, вре-
ЭЛЕКТРЕТЫ
379
мя тэ составляет после стабилизации
3—5 лет и более. Повышение темп-ры,
увеличение влажности окружающей
среды, воздействие ионизирующей ра-
радиации ускоряет спад зарядов Э.
Поскольку гетерозаряд часто спадает
быстрее гомозаряда, в процессе хране-
хранения может происходить инверсия зна-
знака поверхностной плотности зарядов
аэ. Нагреванием Э. по определён-
определённому закону, напр, с постоянной ско-
скоростью, и измерением токов разряда
в процессе нагрева можно измерять
токи термостимулированной деполя-
деполяризации, по к-рым можно прогнозиро-
прогнозировать поведение Э. во времени, опреде-
определять величину гетеро- и гомозаряда
(интегрируя ток по времени). Этим же
методом можно изучать релаксацион-
релаксационные процессы в диэлектриках, коли-
количество и величину диполей для гете-
розарядов, глубину и количество цент-
центров захвата для гомозарядов.
Э. обладают пьезоэлектрич. свойст-
свойствами (см. Пьезоэлектричество). Ве-
Величина продольного пьезомодуля Э.
в направлении поляризации d33 и по-
поперечного пьезомодуля d3f зависит
от величины остаточной поляризации
Р, модуля упругости Е и коэффици-
коэффициента Пуассона v:
Время сохранения пьезоэлектрич.
свойств определяемся временем сохра-
сохранения остаточной поляризации.
Ряд фторсодержащих полимеров
имеет повышенную склонность к
захвату инжектированных зарядов.
Нек-рые из этих полимеров обладают,
кроме того, полярными группами с вы-
высокими дипольными моментами,. сво-
свободно (при комнатной темп-ре) ори-
ориентирующимися в электрич. поле,
образованном инжектированными за-
зарядами. В Э. из этих полимеров (по-
ливинилфторид и поливинилиденфто-
рид) пьезомодули описываются теми
же ф-лами (*) с учётом того, что вели-
величина Р определяется величиной ин-
инжектированного гомозаряда аг. Вре-
Время сохранения пьезоэлектрич. свойств
определяется временем сохранения го-
гомозаряда. Ориентационная вытяжка
поливинилиденфторида вызывает пе-
перестройку кристаллич. структуры,
в результате чего образуются микро-
кристаллич. области, представляющие
собой макродиполи большой величины.
Такая структура обусловливает воз-
возрастание пьезомодулей. В таблице
приведены характеристики нек-рых
полимерных Э.
Значения поверхностной плот-
плотности зарядов сгэ и пьезомоду-
пьезомодуля Aц дл я некоторых электрет-
ных материалов
Материал
Карнаубский воск
Титанат кальция .
Политетрафторэти-
Политетрафторэтилен
Поликарбонат . . .
Полиметилметакри-
лат
Поливинилиденфто-
рид
Тол-
Толщина
образ-
образца L
<Тэ, 10-
Кл/см2
2 мм
2 мм
2 0 мкм
1 5 мкм
2 мм
1 5 мкм
3-5
10*—5
20—50
50—75
2-5
150*
Ю-12
Кл/Н
0,007
0,12
0,33*
6-17
* Показатель уменьшается со временем.
Э. применяются как источники по-
постоянного поляризующего электрич.
напряжения в электроакустич. пре-
преобразователях — электростатических
приёмниках звука (рис. 2), телефо-
телефонах, виброметрах электростатич. типа
и т. п.
\—
+
а
1
b
J-
1
It
б
=*
-1
-5
Рис. 2. Схемы злектретных приёмников
звука: а — с металлической мембраной 1;
б — с мембраной из полимерного электрета
•5; 2 — электрет; 3 — электроды; 4 — элек-
электрод (металл, напылённый на плёнку). При
движении мембраны во внешней цепи про-
протекает ток г.
Пьезоэлектрические полимерные Э.
начинают использовать для изготов-
изготовления пьезоэлектрических преобразо-
преобразователей — приёмников и излучате-
излучателей инфразвуковых, звуковых и
УЗ-вых сигналов, в УЗ-вой технике,
электроакустике, акустоэлектронике,
а также для изготовления гидрофо-
гидрофонов. Некоторые из полимерных элек-
электретов обладают заметными пироэлек-
трич. свойствами и начинают нахо-
находить применение и в этом своём ка-
качестве.
Лит.: Губкин А. Н., Электреты, М.,
1978; Лущейкин Г. А., Полимерные
электреты, М., 19 76; Лущейкин Г. А.,
Джуманбаев Х.Д., «Пластические массы»,
1977, М 10, с. 7-9; Broad hurst M. G.,
380
ЭЛЕКТРОА КУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
D a v i s G. Т., М с К i n n е у J. E., «J. Appl.
Phys.», 1978, v. 49, № 10, с. 4992—97;
Kepler R. G., Anderson R. А., там
же, Л1 9, с. 4918—21. Г. А. Лущейкин.
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕ-
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — устройство, пре-
преобразующее электрич. энергию в аку-
акустическую (энергию упругих колеба-
колебаний среды) и обратно. В зависимости
от направления преобразования раз-
различают Э. п. излучатели и приёмники.
Наиболее распространённые Э. п. ли-
линейны, т. е. удовлетворяют требова-
требованию неискажённой передачи сигнала,
и обратимы, т. е. могут работать и
как излучатели, и как приёмники и
подчиняются принципу взаимности.
В большинстве Э. п. имеет место двой-
двойное преобразование энергии (рис. 1):
электромеханич., в результате к-рого
часть подводимой к преобразователю
электрич. энергии переходит в энер-
энергию колебаний нек-рой механической
системы, и механоакустич., при ко-
котором за счёт колебаний механической
системы в среде создаётся звуковое
поле.
Существуют Э. п., не имеющие ме-
ханич. колебательной системы и соз-
создающие колебания непосредственно
в среде. К ним относятся, напр.,
электроискровой излучатель, возбуж-
возбуждающий интенсивные звуковые коле-
колебания в результате электрич. разряда
в жидкости, излучатель, действие
к-рого основано на электрострикции
жидкостей. Эти излучатели необрати-
необратимы и применяются редко. К особому
классу Э. п. относятся приёмники зву-
звука (также необратимые), основанные
на изменении электрич. сопротивле-
сопротивления чувствительного элемента под
влиянием звукового давления, напр,
угольный микрофон или полупровод-
Рис. 1. Энергетическая блок-схема элект-
электроакустического преобразователя: 1 —
электрическая сторона; 2 — механическая
колебательная система; а — звуковое по-
поле; сплошные стрелки — электромехани-
электромеханическое (механоэлектрическое) преобразо-
преобразование, пунктирные — механоакустическое
(акустомеханическое).
никовые приемники, в к-рых исполь-
используется т. н. тензорезистивный эф-
эффект — зависимость сопротивления по-
полупроводников от механич. напря-
напряжений.
Задача теории Э. п.— расчёт звуко-
звукового давления р в поле излучателя по
известным величинам напряжения U
и тока s на его входе, а также расчёт
напряжения или тока на выходе при-
приёмника по заданному полю (звуковое
давление р, колебат. скорость v).
В теории Э. п. рассматриваются: ко-
колебания механич. систем, электроме-
электромеханич. преобразование, механоаку-
механоакустич. (акустомеханич.) преобразова-
преобразование (включая теории излучения и ди-
дифракции волн).
Колебательными механич. система-
системами Э. п. могут быть стержни, пластин-
пластинки, оболочки, полые цилиндры, сферы,
совершающие различного вида коле-
колебания, механич. системы более слож-
сложной конфигурации, совершающие
поршневые колебания на гибком под-
подвесе, механич. системы в виде комби-
комбинации перечисленных элементов. Цель
расчёта механич. систем — установ-
установление связи между скоростями коле-
колебаний их частей и приложенными
внешними силами, а также нахожде-
нахождение распределения деформаций, обра-
образующихся в системе под воздействием
сил, распределённых по её объёму.
В ряде случаев в механич. системе
можно указать элементы, колебания
к-рых с достаточным приближением
характеризуются только кинетич., по-
потенциальной энергией и энергией ме-
механич. потерь. Эти элементы имеют
характер соответственно массы М,
упругости НС и активного механич.
сопротивления г (т. н. системы с со-
сосредоточенными параметрами). В об-
общем случае как потенциальная, так
и кинетич. энергии имеют распреде-
распределённый характер и их определение
связано с интегрированием по объё-
объёму механич. системы. Однако часто
реальную систему удаётся искусствен- .
но свести к эквивалентной ей в смысле
баланса энергий системе с сосредото-
сосредоточенными параметрами, определив т. н.
эквивалентную массу Мэкв, упру-
упругость 1/Сэкв и сопротивление трению
гЩ1 (сопротивление механических по-
потерь). Расчёт механич. систем с со-
сосредоточенными параметрами может
быть произведён методом электроме-
электромеханических аналогий (см. Электроме-
Электромеханические и электроакустические ана-
аналогии).
В большинстве случаев при электро-
электромеханич. преобразовании преобладает
преобразование в механич. энергию
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
381
либо энергии электрич. поля, либо маг-
магнитного (и обратно), соответственно
чему обратимые Э. п. могут быть раз-
разбиты на две основные группы: 1) элек-
электродинамич. преобразователи, дейст-
действие к-рых основано на электродина-
электродинамич. эффекте (электродинамические из-
излучатели) и электромагнитной индук-
индукции (электродинамические приёмни-
приёмники); электростатические, действие
к-рых основано на изменении заряда
или напряжения при относительном
перемещении обкладок конденсатора
(см. Электростатические приёмники)
и изменении силы притяжения обкла-
обкладок при изменении напряжения;
пъезоэлектр ические преобразоеа тели\
2) электромагнитные преобразователи,
основанные на притяжении железного
якоря магнитом и изменении магнит-
магнитного потока при движении якоря;
магнитострикционные преобразова-
преобразователи. В электродинамич., электроста-
тич. и электромагнитных преобразо-
преобразователях преобразование не зависит от
распределения динамич. напряжений
в механич. системе и может быть оха-
охарактеризовано т. н. коэфф. электро-
электромеханич. трансформации п, не завися-
зависящим от вида механич. колебательной
системы. Напр., при электродинамич.
преобразовании
— — — — — В1
где В — индукция в зазоре магнитной
цепи, I — длина проводника, F — си-
сила, действующая на заторможенную
(v = 0) механич. систему при проте-
протекании по проводнику тока i. Коэфф.
электромеханич. трансформации вво-
вводят и для других Э. п. при сведении
реальной колебательной системы к си-
системе с сосредоточенными параметра-
параметрами. При этом под п понимают отноше-
отношение возбуждающей механич. колеба-
колебания силы к электрич. напряжению.
Преобразование энергии характе-
характеризуют также величиной эффектив-
эффективного коэфф. электромеханич. связи
К
эфф*
w
W
Е
где WMex — часть подводимой к пре-
преобразователю электрич. энергии, пре-
преобразующейся в квазистатистич. ре-
режиме в упругую энергию, W —
электрич. энергия, к-рая была бы
сообщена при этом заторможенному
преобразователю. Величина К3фф ис-
используется при расчёте Э. п.— излу-
излучателей, а также является важной
характеристикой электромеханич.пре-
электромеханич.преобразователей, используемых в каче-
качестве фильтров или резонаторов. Зна-
Значение Кэфф зависит от свойств самого
физич. эффекта преобразования (напр.,
от коэфф. электромеханич. связи пье-
зоэлектрич. или магнитострикцион-
ного материала), а также от конструк-
конструкции и геометрич. параметров преобра-
преобразователя.
Механоакустич. преобразование ха-
характеризуется общей величиной аку-
стич. энергии и её распределением
в пространстве. Величина акустич.
мощности WaK излучателя может быть
определена как WaK = Zn]vm\2 , где
Vjn — комплексная колебательная ско-
скорость некоторой точки на поверх-
поверхности излучателя, выбираемой в ка-
качестве центра приведения, ZH — меха-
механич. сопротивление акустич. нагруз-
нагрузки. В случае, когда излучающая по-
поверхность контактирует со сплошной
средой, ZH является сопротивлением
излучения Zs (см. Излучение звука),
зависящим от формы излучающей по-
поверхности и характера распределения
v на ней. Характеристики направлен-
направленности и Zs определяют путём реше-
решения волнового ур-ния при заданных
граничных условиях. Аналогичным
образом определяется сила ^экв, дей-
действующая со стороны звукового поля
на поверхность преобразователя в ре-
режиме приёма. Для определения ха-
характеристик направленности, Zs и
^экв в отдельных случаях можно
пользоваться также приближёнными
методами, основанными на непосред-
непосредственном суммировании эффектов, соз-
создаваемых в окружающей среде каж-
каждой точкой колеблющейся поверх-
поверхности. В общем случае F3
любая
сила, приложенная к поверхности
Э. п. в центре приведения.
Ур-ния, описывающие работу пре-
преобразователя, составляются гл. обр.
на основе двух методов: а) решения
дифференциального ур-ния колеба-
колебаний механич. системы с учётом усло-
условий электромеханич. преобразования
и реакций акустич. нагрузки; б) энер-
гетич. метода с применением ур-ний
Лагранжа для системы, к-рая пред-
382
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ставляет собой совокупность электрич.
и механич. сторон преобразователя,
а также акустич. поле. Как правило,
при использовании обоих методов ре-
решение задачи удаётся свести к рас-
расчёту эквивалентной электромеханич.
схемы.
Решение по методу б) приводит
к эквивалентной схеме (рис. 2,а), где
ток в механич. контуре эквивалентен
скорости колебаний центра приведе-
приведения на поверхности механич. системы.
В случае системы с сосредоточенными
параметрами величины С, М и г не
электрич. потребляемой мощности W3JI.
Различают кпд: механоэлектрич.
Лм/эл и акустомеханич. т]а/м, к-рые ха-
характеризуют потери энергии при со-
соответствующих преобразованиях, при-
причём t)a/ajI = Г]м/Э71-Па/м- Перечислен-
Перечисленные параметры зависят от частоты.
Величины р и т]а/эл достигают макси-
максимального значения на частотах меха-
механич. резонанса, вследствие чего мощ-
мощные излучатели делают, как правило,
резонансными.
Для расчётов в соответствии со схе-
схемой рис. 2,« Э. п.— излучатель удобно
I 'хх "
в
Рис. 2. а — энергетическая эквивалентная схема электроакустического преобра-
преобразователя: в положении переключателя и — излучателя, в положении п — при-
приёмника; б — упрощённая схема для режима приёма", в — упрощённая схема для
режима излучения.
зависят от частоты. В общем же слу-
случае элементы схемы имеют характер
эквивалентных параметров, о к-рых
говорилось выше, и зависят от часто-
частоты. На участках частотного диапазо-
диапазона, где распределение колебаний в ме-
механич. системе остаётся практически
неизменным (области частот ниже
первого резонанса и в окрестности
резонанса), эквивалентные параметры
можно считать частотно-независимы-
частотно-независимыми, и расчёт преобразователя сущест-
существенно упрощается.
Свойства Э. п.— приёмника харак-
характеризуются его чувствительностью
в режиме холостого хода ухх = VI р
и внутренним сопротивлением 2ЭЛ
(рис. 2,6). По виду частотной зависи-
зависимости U/p различают широкополосные
и резонансные приёмники. Потенци-
Потенциальные возможности приёмника при
работе на нагрузку оценивают величи-
величиной удельной чувствительности Ууд =
ует
характеризовать величиной механо-
движущей силы Fm, равной произве-
произведению tin, и внутренним механич. со-
сопротивлением:
где (?Мех — добротность механич. ко-
колебательной системы, /0 — её резо-
резонансная частота. Характер измене-
изменения |2мех| определяет частотные ха-
характеристики излучателя и возмож-
возможность его согласования с акустич. на-
нагрузкой.
Кпд резонансного излучателя су-
существенно зависит от активной ком-
компоненты сопротивления нагрузки гн
и от величин гм11 и Лэл, где Дэл —
активная компонента сопротивления
электрич. потерь Zail (рис. 2,а). В со-
соответствии с этой схемой величину
1]а/эл на резонансе можно определить:
Ча/эл
тххует
Работу Э. п.— излучателя характе-
характеризуют: чувствительность, равная от-
отношению р на определённом расстоя-
расстоянии от него на оси характеристики на-
направленности к U или I; внутреннее со-
сопротивление, представляющее собой
нагрузку для источника электрич.энер-
электрич.энергии; акустоэдектрич. йпдт1а/эл, равный
отношению активной акустич. мощ-
мощности в нагрузке WaK к активной
гмп' п2Лэл+гмп+г„ •
Значение гмп удобно оценивать по ф-ле:
гма = «оЛ/чкв/<?мех. определив пред-
предварительно резонансную частоту соо
и величину (?мех из частотной характе-
характеристики Э. п.
Конструкции Э. п. существенно за-
зависят от их назначения и применения
и поэтому весьма разнообразны. При
расчёте и проектировании Э. п. боль-
большой мощности необходимо учитывать
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОЕ ЭХО
383
возможность возникновения нелиней-
нелинейности в различных звеньях Э. п.: не-
нелинейность электрич. сопротивления,
электромеханич. связи, механич. ко-
колебательной системы, а также среды.
В водной среде, напр., при малых
гидростатич. давлениях нелиней-
нелинейность, вызываемая явлением кавита-
кавитации, ограничивает интенсивность не-
непрерывного излучения величиной
0,3—0,5 Вт/см2. Излучаемая мощность
ограничивается также пределами
алектрич. и механич. прочности Э. п.,
а иногда нагреванием его элементов
из-за большой величины потерь.
Лит.: Ф у р д у е в В. В., Электроаку-
Электроакустика, М.— Л., 1948; X а р к е в и ч А. А.,
Теория преобразователей, М.— Л., 1948;
Матаушек И., Ультразвуковая техни-
техника, пер. с нем.. М., 1962; Ультразвуковые
преобразователи, пер. с англ., М., 1972;
Гутин Л. Я., Избр. труды, Л., 1977.
Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОЕ ЭХО
(ф о н н о е, или поляризаци-
поляризационное, эхо) — появление до-
дополнительных радиоимпульсов при
воздействии на пьезоэлектрик двух
или более радиоимпульсов. Э. э.—
нелинейный эффект, наблюдаемый
в пьезоэлектрич. монокристаллах,
иногда в порошках пьезоэлектрич.
кристаллов. Различают двухимпульс-
ное и трёхимпульсное Э. э.
Для наблюдения двухимпульсного
Э. э. исследуемый кристалл 2 (рис. 1)
помещают в ёмкостный зазор СВЧ-
резонатора или между обкладками
конденсатора 1, включённого в контур
ВЧ генератора ЯМР-спектрометра 4,
в зависимости от выбранного диапазо-
диапазона частот. В момент времени t = 0 на
образец подаётся сигнал — радиоим-
/ 2 J
Рис. 1. Схема наблюдения электроакусти-
электроакустического эха в пьезоэлектрическом кристал-
кристалле, помещённом в электрическое поле:
1 — конденсатор; г — кристалл; 3 —
акустические волны; 4 — импульсный
ЯМР-спектрометр.
пульс с частотой заполнения со, а че-
через промежуток времени т — второй
импульс с частотой 2@. Эффект Э. э.
состоит в появлении дополнительного
сигнала (отклика) с частотой со через
время т после подачи второго импуль-
импульса. Этот отклик может быть задержан
на любой, достаточно большой, про-
промежуток времени, не кратный време-
времени прохождения звуковой волны в кри-
кристалле.
Механизм эффекта двухимпульсного
Э. э. состоит в следующем. Радиоим-
Радиоимпульс в момент t = 0 (рис. 2,а) воз-
возбуждает с поверхности пьезокристал-
ла УЗ-вые волны, к-рые распростра-
распространяются в глубь кристалла. Частота
этих волн — и, волновой вектор —
к, а амплитуда зависит от анизотро-
анизотропии пьезоэлектрич. свойств и упруго-
упругости кристалла, его ориентации в элек-
электрич. поле конденсатора, качества об-
обработки поверхности и амплитуды
возбудившего их электрич. поля. Поле
радиоимпульса с частотой 2<в, подавае-
подаваемого в момент времени т, взаимодейст-
взаимодействует нелинейно с системой бегущих
УЗ-вых волн (см. Нелинейное взаимо-
Двухимпу яьсное эха
П П л'
2т
¦ г
Трехимпульс-
яое э*о
П.—. г—i "ое эхо
П А П А:
0 т 2т Г 7"+т
Рис- 2. Временное распределение импуль-
импульсов двухимпульсного (а) и трёхимпульсно-
го (б) электронного эха.
действие). Это взаимодействие обус-
обусловлено нелинейностью пьезоэффек-
та, т. е. членами вида:
°ij ~ enijhluhlEn,
в ур-ниях состояния пьезоэлектрич.
кристалла (ац — тензор механич.
напряжений, Dm — вектор электрич.
индукции, «jj — тензор деформации,
Еп — вектор электрич. поля, епу&; —
тензор нелинейных пьезоэлектрич. ко-
коэффициентов). Как видно из дисперси-
онвой диаграммы (рис. 3,а), взаимо-
взаимодействие прямой акустич. волны (со, к)
и внешнего электрич. поля B<о, 0)
приводит к генерации обратной вол-
волны (со,—к). Поэтому второй импульс
с частотой 2@ в момент т меняет на-
направление распространения всех аку-
акустич. волн на обратное, а ещё через
один промежуток времени т эти волны
приходят в исходные точки, т. с. на
поверхность пьезоэлектрич. кристал-
кристалла, причём в момент прихода все вол-
384
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
ны вновь находятся в фазе. На по-
поверхности кристалла происходит пре-
преобразование акустич. волн (со, к)
в электрич. сигнал частотой со, к-рый
и воспринимается приёмной системой
спектрометра как отклик, т. е. сигнал
Э. в. Амплитуда последнего зависит
от эффективности преобразования пе-
переменного поля в УЗ-вые колебания и
обратно, от затухания УЗ-вых волн
в кристалле, а также от степени нели-
нелинейности. Форма импульса определя-
определяется анизотропией линейных и нели-
(,)
Электрический
импульс
()
Обратная , ,.
волна ("¦-'О
Обратная
волна
. к*)
Прямая волна
(«.«О
Рис. 3. Дисперсионные диаграммы, поясняющие
образование двухимпульсного (а) и трёхимпульсного
(б) электроакустического эха.
нейных пьезоэлектрич. коэффициен-
коэффициентов. При увеличении времени задерж-
задержки т амплитуда импульса Э. э. умень-
уменьшается, т. к. увеличивается время
пробега УЗ-вого импульса и его зату-
затухание в кристалле. В принципе, вели-
величина т может быть значительно больше
времени пробега звука в кристалле
в одном направлении, т. е. УЗ-вая
волна до поворота её вторым импуль-
импульсом может испытывать многократные
отражения. Такой эффект наблюдает-
наблюдается в пьезоэлектрич. порошках. По-
Понижение темп-ры снижает поглоще-
поглощение УЗ-вых волн и, следовательно,
увеличивает сигнал Э. э.
Трёхимпульсное эхо наблюдается
примерно по такой же схеме, но в
этом случае, помимо второго импуль-
импульса в момент 1 (рис. 2,6), на кристалл
подаётся ещё третий импульс в мо-
момент Т с частотой 2@. При этом от-
отклик наблюдается в момент Т + т.
Временная структура наблюдаемых
в этом случае сигналов более слож-
сложна. При этом, как и раньше, первый
импульс возбуждает с поверхности
пьезоэлектрика УЗ-вые волны, распро-
распространяющиеся по всем направлениям
в глубь кристалла. Второй импульс
в момент 1 производит две операции:
возбуждает, как и первый, УЗ-вые вол-
волны и меняет на обратное направление
распространения акустич. волн, воз-
возбуждённых первым импульсом. Т. о.,
в кристалле навстречу друг другу
распространяются прямые и обратные
волны, нелинейное взаимодействие
к-рых приводит к появлению в про-
пространстве взаимодействия постоянной
составляющей, как это следует из
дисперсионной диаграммы (рис. 3,6).
При наличии в кристалле примесей
постоянная составляющая выводит их
из состояния равновесия, и таким об-
образом в пространстве фиксируется ин-
информация о взаимодействии
прямой и обратной волн. Тре-
Третий импульс в момент времени
Т воздействует на неоднород-
неоднородные в пространстве примесные
состояния и возбуждает аку-
акустич. волну, к-рая от этих при-
примесей распространяется к по-
поверхности кристалла, где бла-
благодаря пьезоэффекту восста-
восстанавливается в виде электрич.
сигнала. При этом время Т
должно быть меньше времени
релаксации, в течение к-рого
восстанавливается равновесное рас-
распределение примесей, нарушенное
взаимодействием волн. При низких
темп-pax время Т может достигать
— 1 месяца.
С физич. точки зрения эффекты двух-
двухимпульсного и трёхимпульсного эха
подобны явлениям генерации обрат-
обратной волны и акустич. памяти (см.
Акустпоэлектроника). Однако деталь-
детальная картина Э. э. значительно слож-
сложнее. Эксперименты по Э. э. проводят
на частотах от нескольких десятков
МГц до нескольких ГГц. В пьезоэлек-
пьезоэлектрич. порошках сигнал отклика воз-
возрастает на резонансных частотах ча-
частиц порошка. Эффект Э. э. типичен
для акустоэлектроники в том смысле,
что преобразование электрич. сигна-
сигналов осуществляется посредством аку-
акустич. волн. Он может найти приме-
применение в системе обработки радиосиг-
радиосигналов. В. Е. Лятое.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗ-
ИЗЛУЧАТЕЛИ — электроакустические
преобразователи для возбуждения аку-
акустич. колебаний звуковых и УЗ-вых
частот, принцип действия к-рых осно-
основан на взаимодействии переменного
электрич. тока с магнитным полем.
Основа конструкции Э. и.— помещён-
помещённый в постоянное магнитное поле про-
проводник (в виде витка или катушки),
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
385
по к-рому протекает переменный ток.
Переменная сила, возникающая при
этом, вызывает колебания с частотой
тока подвижной системы Э. и. В под-
подвижную систему, помимо проводника с
током, входит связанное с ним излуча-
излучающее устройство в виде диафрагмы
или твёрдого тела к.-л. другой формы.
Широкополосные Э. и. выполняют-
выполняются в виде звуковой катушки из не-
нескольких десятков витков, помещён-
помещённой в радиальный зазор магнита и
связанной с бумажным диффузором
(в конусных громкоговорителях) или
с металлич. мембраной (в рупорных
громкоговорителях). Такие Э. и. ши-
широко используются в радиовещании
и других системах передачи слыши-
слышимого звука. В УЗ-вой технике приме-
применяются более мощные Э. и., работаю-
работающие на частоте резонанса подвижной
системы. Резонансные Э. и. бывают
двух типов: с подвижной катушкой и
с неподвижной. Первые по конструк-
конструкции аналогичны широкополосным
громкоговорителям. С целью увеличе-
увеличения резонансной частоты с 50—200 Гц
(у диффузорных Э. и.) до 20—25 кГц
используются защемлённые металлич.
диафрагмы, к к-рым приклеивается
звуковая катушка. Подобные системы
в УЗ-вом диапазоне частот применя-
применяются сравнительно редко, т. к. при
излучении в газовую среду их мощ-
мощность не превышает 1 — 2 Вт, а кпд
очень низок.
В жидкости Э. и. используют для
излучения звука низких частот, на
к-рых применение резонансных маг-
нитострикционных преобразователей
и пьезоэлектрических преобразовате-
преобразователей становится затруднительным. Для
излучения значительной мощности на
низких частотах требуется большая
амплитуда смещений излучающей по-
поверхности. Это относительно просто
реализуется в Э. и. с помощью подат-
податливой подвески диафрагмы. Кпд Э. и.
при работе в жидкости невысок и со-
составляет 5—6%. Известны мощные
импульсные Э. и., предназначенные
для излучения в жидкость коротких
импульсов акустических и работаю-
работающие по принципу ударного возбужде-
возбуждения (напр., путём пропускания че-
через виток подвижной системы раз-
разрядного тока от накопителя электрич.
энергии).
Э. и. с неподвижной катушкой из-
известны под названием излучателей
Сент-Клера; они применяются для
излучения акустич. волн в газовые
среды в диапазоне частот 8—75 кГц.
Для излучения звука значительной
ИЕ1тенсивности в среду с малым аку-
акустич. сопротивлением, какой являют-
являются газы, необходимо сообщить излу-
излучающей поверхности большую коле-
колебательную скорость. При сравнитель-
сравнительно небольшой возбуждающей силе это
достигается путём использования виб-
вибраторов с очень малыми механич. по-
потерями и соответственно с весьма вы-
высокой добротностью. В Э. и. Сент-
Клера вибраторами служат дюралю-
дюралюминиевые или латунные цилиндры
с добротностью Q до 20 000—30 000,
резонансная частота к-рых /0 опреде-
ляется по ф-ле: fa~~2i~y —-> гДе
?ц — длина цилиндра, Е и р — мо-
модуль Юнга и плотность материала ци-
цилиндра. Закрепляется цилиндр 1 в уз-
узловой плоскости (рис. 1) с помощью
s
6"
Щ
Щ
W
\
к
-bf
Ш
и.
Ш
1
Рис. 1. Схема электродинамического
излучателя Сент-Клера.
фланца 2 или трёх игл с острыми
концами либо подвешивается в центре
тяжести. Для предотвращения воз-
возникновения паразитных мод колеба-
колебаний отношение d/la должно быть рав-
равно 1,178 (где d — диаметр цилиндра).
Звуковая катушка 7 располагается
на центральном керне 5 магнитной
системы и представляет собой первич-
первичную обмотку трансформатора, имею-
имеющего вторичной обмоткой коротко-
замкнутый виток в виде тонкостенного
кольца 3, расположенного на торце
цилиндра и выточенного заодно с ним.
Кольцо входит в воздушный зазор 6'
магнита 4. При подаче возбуждающе-
386
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИЁМНИКИ
го напряжения на звуковую катушку
в короткозамкнутом витке индуциру-
индуцируется большой ток, к-рый и взаимодей-
взаимодействует с магнитным полем. При совпа-
совпадении частоты тока с собственной ча-
частотой цилиндра-вибратора кольцо,
втягиваясь и выталкиваясь из зазора,
возбуждает в вибраторе продольные
колебания. Благодаря очень острой
резонансной характеристике системы
(полоса пропускания на частотах 17—
25 кГц обычно составляет 2—4 Гц)
такие Э. и., как правило, работают
в режиме самовозбуждения. Напря-
Напряжение обратной связи, получаемое
с помощью ёмкостного или пьезоэлек-
трич. датчика колебаний 8, через
предварительный усилитель и фазо-
фазовращатель подаётся на мощный уси-
усилитель, питающий звуковую катуш-
катушку. Кпд т) Э. и. такого типа зависит
в основном от магнитной индукции
Во в зазоре, внутреннего трения в ма-
материале цилиндра и способа крепле-
крепления вибратора. Так, при Во = 10—
20 кГс т] = 7—9%, а при Во —
= 120 кГс и при Q ~ 10 000 величина
т) может достигать 30%. Уровень зву-
звукового давления достигает у Э. и.
Сент-Клера 160 дБ, акустич. мощ-
мощность составляет 10—50 Вт. Если тор-
торцы цилиндра имеют сферич. форму,
можно получить сфокусированное из-
излучение. Преимущество излучателя
Сент-Клера перед газоструйными из-
излучателями состоит в возможности
получения высокой плотности энер-
энергии в диапазоне высоких звуковых и
низких УЗ-вых частот при малом
уровне амплитуд гармонич. составляю-
составляющих. Такие Э. и. используются гл.
Рис. 2. Схема электродинамического спо-
способа возбуждения колебаний в твердых
телах.
обр, для прецизионных акустич. изме-
измерений в газовых средах и для иссле-
исследовательских целей.
Э. и. применяются также для воз-
возбуждения УЗ-вых колебаний в твёр-
твёрдых телах, напр, для возбуждения
крутильных резонансных колебаний
в стержнях из изоляционных материа-
материалов. В атом случае (рис. 2) виток 2,
к к-рому подводится переменное
электрич. напряжение, выполняется
в виде проводящей обкладки, нане-
нанесённой на поверхность цилиндрич.
стержня 1 (стеклянного, керамиче-
керамического), закреплённого посередине. При
создании магнитного поля в плоско-
плоскости витка, напр, путём помещения
стержня в зазор магнита 3 и пропу-
пропускания через виток переменного тока
с частотой, совпадающей с собствен-
собственной частотой крутильных колебаний
стержня fn = (nl2lc)~\/G/p (где lc —
длина стержня, G — модуль сдвига,
п = 1, 3, 5,...), в стержне возникают
крутильные колебания. Если магнит-
магнитное поле направлено перпендикуляр-
перпендикулярно плоскости сечения витка, в стерж-
стержне возбуждаются продольные колеба-
колебания.
Лит.: С lair H. W. St., «Rev. Sci.
Instrum.», 1941, v.12, .№ 5, p. 250—56; G a v-
reau V., Miane M., «Acustica», 1954,
v. 4, № 3, p. 387—95; Бергман Л.,
Ультразвук и его применение в науке и
технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; С и-
ротюк М. Г., «Технико-информац. бюлл.
Особого конструкт, бюро электротермич.
оборудования», 1959, Ml, с. 29—50.
Ю. Я. Борисов.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИ-
ПРИЁМНИКИ звука — приёмные элек-
электроакустические преобразователи, ра-
работа к-рых основана на явлении
электромагнитной индукции. Согласно
закону электромагнитной индукции,
в проводящем контуре возникает элек-
электродвижущая сила Еь если поток
Ф вектора магнитной индукции В,
проходящий через него, меняется со
временем, причём Е-х = ~ ^, где
Ф = f BndS, n — нормаль к поверх-
поверхности, охватываемой контуром, S —
площадь этой поверхности. В звуко-
звуковом диапазоне частот Э. п. использу-
используются для измерения звукового давле-
давления в воздушной среде. В этих Э. п.
изменение потока происходит при ко-
колебаниях проволочной катушки отно-
относительно постоянного неоднородного
магнитного поля. Конструкция их при
этом практически не отличается от
конструкции электродинамич. микро-
микрофонов, применяемых для приёма речи
и музыки; звуковая катушка 3 связы-
связывается с колеблющейся под действием
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ
387
звука диафрагмой 1 и помещается
в зазор магнитной цепи, создаваемой
постоянным магнитом 6 (рис. 1),
фланцами 4 и 5 и керном 7. Чувст-
Чувствительность Э. п. в воздухе ~1 —
40 мВ/Па, динамич. диапазон — в пре-
Рис. 1. Электродинами-
.„ ческий приёмник звука
? для воздушной среды:
_5 1 — принимающая звук
диафрагма; г — гофри-
гофрированный воротник; 3 — звуковая ка-
катушка; 4, i — фланцы; в — постоянные
магниты; 7 — керн.
делах 15—140 дБ, неравномерность
частотной характеристики ~ 3—4 дБ.
Достоинство Э. п.— малое внутрен-
внутреннее сопротивление, поэтому кабель
мало влияет на их свойства, недоста-
недостаток — восприимчивость к внешним по-
полям-, чувствительность к изменению
темп-ры и влажности.
Э. п. применяются также для измере-
измерения амплитуды колебательной скоро-
скорости на поверхности твёрдых тел в зву-
звуковом и УЗ-вом диапазоне частот.
При этом изменение магнитного пото-
потока достигается закреплением на коле-
колеблющемся теле катушки или магнита.
Такой принцип конструкции исполь-
используется, напр., для приёма продольных
или сдвиговых волн (рис. 2, а, б).
Возможно также бесконтактное изме-
измерение колебаний поверхности ферро-
ферромагнитных тел (или любых твёрдых
тел с наклеенной ферромагнитной
Рис. 2. Схема
электродинамиче-
ских приёмников
продольных (а),
крутильных (б)
и поверхностных (в) волн в твёрдых те-
телах: А — колеблющееся тело; В — ка-
катушка; С — укреплённый на теле маг-
магнит; S — зазор.
ферромагнитного тела, меняющегося
под действием УЗ-вой волны. Для
абсолютных измерений колебатель-
колебательной скорости v поверхности твёрдых
тел применяют Э. п. в виде полоски
проводника длиной I (изолированной
от тела, если оно электропроводно),
помещённой в однородное постоянное
магнитное поле соответствующей для
данного вида колебаний ориентации.
При колебаниях полоски нормально
к направлению магнитного поля, на
концах полоски индуцируется пере-
переменная эдс = vBl. Э. п. для твёр-
твёрдых тел обладают малой чувствитель-
чувствительностью и требуют применения элек-
электронных усилителей с большим коэфф.
усиления. Недостаток их — подвер-
подверженность влиянию внешних электро-
электромагнитных полей.
Лит.: Блинова Л. П., Колесни-
Колесников А. Е., Л а н г а н с Л. В., Акустиче-
Акустические измерения, М., 1971. Л. К. Зарембо.
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНА-
АНАЛОГИИ — аналогии в законах дви-
движения (колебаний) механич. колеба-
колебательных систем и электрич. контуров.
Основное достоинство Э. и э. а.— воз-
0-
Л
"Ц
б
Рис.
( S
¦'
1.
См
|
' 1
,_лги.
1 У 1
в
можность применения методов расчё-
расчёта и анализа электрич. колебательных
систем при рассмотрении свойств ые-
ханич. и акустич. систем.
Э. и э. а. основаны на сходстве диф-
дифференциальных ур-ний, описывающих
состояние этих систем. Напр., ур-ния
колебаний в последовательном и па-
параллельном одиночных электрич. кон-
контурах (рис. 1,а)
плёнкой). В этом случае приёмная аналогичны ур-нию колебаний меха-
катушка В имеет сердечник в виде нич. системы с одной степенью свободы
постоянного магнита с зазором S (рис. 1,6)
(рис. 2,в), магнитный поток в ней за-
зависит от расстояния до поверхности
25*
Ж + r*v+ -^ $vdt = F (t)
388
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ
(обозначения см. в табл.). Подобным
же уравнением описываются колеба-
колебания в акустическом резонаторе
(рис. 1, в). При этом т, гм и См заме-
заменяются соответственно на та, га и Са
(см. табл.).
На основании сопоставления сход-
сходных ур-ний составляется таблица соот-
соответствия электрич., механич. и аку-
стич. аналогов, причём в зависимо-
зависимости от того, ур-иие последовательного
или параллельного элоктрич. контура
выбрано для сопоставления, разли-
различают 1-ю (прямую) и 2-го (инверсную)
системы аналогий. При рассмотрении
Э л ек три
Электри-
Электрические
величины
Напряже-
Напряжение
(эдс) U
Ток г ...
Индуктив-
Индуктивность L
Емкость С
Активное
сопро-
тивле-
тивление R
чес к ие
а н а
и ме хал
логи
Механические
величины
1-я
система
Сила F
Скорость.
V
Масса т
Податли-
Податливость
(гибкость)
с„
Сопротив-
Сопротивление
механиче-
механических по-
потерь г„
2-я
система
Скорость
V
Сила F
Податли-
Податливость
(гибкость)
С„
Масса т
Активная
механи-
механическая
проводи-
проводимость 1/гм
и ч е с к и е
Акусти-
Акустические
величины
1-я
система
Звуковое
давле-
давление р
Объемная
скорость
Sv
Акустиче-
Акустическая масса
Акустиче-
Акустическая по-
датли-
датливость
Сопротив-
Сопротивление
акустиче-
акустических по-
потерь Га
S — площадь, р — плотность среды, с —
скорость звука в среде, V — объём.
акустических систем наибольшее рас-
распространение получила 1-я система
аналогий.
Э. и э. а. особенно удобны при опре-
определении свойств сложных механич.
систем с несколькими степенями сво-
свободы, аналитич. исследование к-рых
решением дифференциальных ур-ний
движения весьма трудоёмко. Такие
системы представляют в виде совокуп-
совокупности электрич. контуров, и получен-
полученную электрич. схему (эквивалентную
схему) анализируют приёмами элек-
электротехники. Метод Э. и э. а. успешно
применяется также при синтезе меха-
механич. систем с заданными частотными
характеристиками; при этом произво-
производится построение механич. аналога
электрич. схемы, обладающей нужны-
I-
1'ис. 2.
ми свойствами. Способ соединения.
электрич. аналогов связанных меха-
мехаиич. элементов определяется специ-
специальными правилами с учётом выбран-
выбранной системы аналогий. Так, напр.,
механич. двухполюсники, развиваю-
развивающие одинаковые усилия (соединённые
в цепочку), изображаются в 1-й систе-
системе аналогий параллельным соедине-
соединением электрич. аналогов (рис. 2,а),
а имеющие одинаковые относительные
скорости (соединение в узел) — после-
последовательным (рис. 2,6).
Важными элементами, часто при-
применяемыми при построении схем Э.
и э. а., являются устройства, осу-
осуществляющие трансформацию ебоб-
щённых сил и скоростей и согласова-
согласование импедансов. В механич. систе-
системах — это абсолютно жёсткий и не-
невесомый рычаг, в акустических — ка-
камера с разными площадями входно-
входного и выходного отверстий, в элект-
электрических — идеальный трансформа-
трансформатор с коэфф. трансформации, рав-
равным отношению плеч рычага п = l2/k
или площадей отверстий п = S2/Si
(рис. 3,а,б,«).
Рис. 3.
Метод Э. и э. а. применяется для
расчёта электромеханич. и электро-
электроакустических преобразователей. Он да-
даёт возможность построить единую эк-
эквивалентную схему преобразователя,
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИЁМНИКИ
389
на основе к-рой средствами электро-
электротехники может быть проведён всесто-
всесторонний анализ его работы. Хотя ме-
метод Э. и э. а. разработан в основном
применительно к системам с сосредо-
сосредоточенными параметрами, он может
быть распространён и на системы с рас-
распределёнными параметрами. Сущест-
Существует, напр., аналогия между продоль-
продольными колебаниями стержней, распро-
распространением звуковых волн в акустич.
волноводах и волн в электрич. длин-
длинных линиях, основанная на том, что
перечисленные процессы описываются
ур-ниями, аналогичными телеграф-
телеграфному ур-нию.
Лит.: Фурдуев В. В., Электроаку-
Электроакустика, М.—Л., 1948; О лье он Г., Дина-
Динамические аналогии, пер. с англ., М., 1947;
Матаушек И., Ультразвуковая техни-
техника, пер. с нем., М., 1962; Скучик Е.,
Простые и сложные колебательные систе-
системы, пер. с англ., М., 1971.
Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.
ЭЛЕКТРОН — стабильная элемен-
элементарная частица с отрицательным
электрич. зарядом е = 1,602-10"иКл
D,803-10-10 ед. СГСЭ). Образуя элек-
электронные оболочки атомов, Э. являют-
являются основными структурными единица-
единицами материи. Масса покоя Э. те =
=9,109-108 г. Э. обладает собствен-
собственным моментом количества движения,
или спином
s = й/2,
где h = h/2n, h — Планка постоянная.
Благодаря спину Э. обладает посто-
постоянным магнитным моментом це =
=9,285 • 104 Д ж/Т (9,285-10-21эрг/Гс),
направленным противоположно спину.
Классич. радиус электрона
г0 = е*/тс2 = 2,82-Ю3 см.
В металлах и полупроводниках Э. от-
ответственны за электрическую проводи-
проводимость.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТ-
ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС акустиче-
акустический — см. Акустический парамаг-
парамагнитный резонанс электронный.
ЭЛЕКТРОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМО-
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — см. Взаимодействие
ультразвука с электронами проводи-
проводимости.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИЁМ-
ПРИЁМНИКИ — приёмные электроакустиче-
электроакустические преобразователи, работа к-рых
основана на принципе изменения
электрич. ёмкости воздушного кон-
конденсатора при колебаниях одного из
электродов. Для преобразования из-
изменений ёмкости в электрич. сигнал
к неподвижному электроду Э. п. обыч-
обычно подводится постоянное напряже-
напряжение Uo ~ 100—200 В. Переменное
электрич. напряжение U~, пропор-
пропорциональное смещению подвижного
электрода, снимается с включённого
последовательно с конденсатором на-
нагрузочного сопротивления. При этом
чувствительность Э. п. ~ U0C0, где
Со — ёмкость конденсатора. Исполь-
Используется также включение конденсато-
конденсатора в контур высокочастотного генера-
генератора, частота к-рого модулируется
в такт с изменением ёмкости. Глубина
частотной модуляции колебаний тока
в контуре пропорциональна амплитуде
колебательного смещения электрода.
Э. п. применяются для измерения зву-
звукового давления в газовых средах или
для бесконтактного измерения вибра-
вибраций твёрдой поверхности.
Э. п., используемые в газовой среде,
аналогичны конденсаторным микро-
микрофонам и представляют собой тонкую
металлич. или пластмассовую металли-
зованную мембрану (подвижный элек-
электрод 1), расположенную на неболь-
небольшом B0—40 мкм) расстоянии от не-
неподвижного электрода 2 (базы) (рис.).
Схема, поясняющая принцип действия
электростатического приёмника: 1 — под-
подвижный электрод; г — неподвижный
электрод; 3 — нагрузочное сопротивле-
сопротивление; 4 — источник напряжения поляри-
поляризации.
При колебаниях мембраны под дейст-
действием акустич. волн ёмкость такого
конденсатора меняется с частотой воз-
возбуждающего звукового поля. Для
получения прямой пропорционально-
пропорциональности между напряжением U^ и звуко-
звуковым давлением необходимо, чтобы сме-
смещение подвижного электрода под дей-
действием давления определялось упру-
упругостью, т. е. частота собственного ме-
ханич. резонанса Э. п. лежала бы вы-
выше рабочего диапазона воспроизводи-
воспроизводимых частот. В ранних конструкциях
Э. п. повышение резонансной частоты
достигалось натяжением мембраны,
а в современных микрофонах опреде-
определяется упругостью воздуха, находя-
находящегося между электродами.
390
ЭЛЕКТРОСТРИКЦИА
Достоинства Э. п. состоят в высокой
чувствительности, равномерной ча-
частотной характеристике и низком уров-
уровне собственного шума, а также в
малой температурной зависимости
свойств (чувствительности, резонанс-
резонансной частоты, электрич. импеданса
и др.)- Их недостатки — сравнитель-
сравнительная сложность конструкции и необхо-
необходимость применения согласующих кас-
каскадов в непосредственной близости от
капсюля микрофона: малая ёмкость
конденсатора (несколько десятков пи-
кофарад) и большое сопротивление
нагрузки исключают возможность при-
присоединения Э. п. к усилительному уст-
устройству соединительным кабелем даже
Малой длины, т. к. в этом случае чув-
чувствительность резко падает в резуль-
результате того, что ёмкость микрофона
шунтируется ёмкостью кабеля. В ка-
качестве согласующих устройств исполь-
используются либо катодные повторители на
миниатюрных электронных лампах,
либо каскады, выполненные на поле-
полевых транзисторах.
Для увеличения чувствительности
Э. п. на неподвижном электроде дела-
делают канавки или выемки и повышают
поляризующее напряжение Uo, одна-
однако величина Uo ограничена опасностью
электрич. пробоя между обкладками
конденсатора и возможностью залина-
ния мембраны в результате её прогиба
из-за действия электрич. сил. Обычно
Uo не превышает 250 В. Э. п. могут
работать и без поляризующего напря-
напряжения. Это достигается применением
в устройствах материалов, несущих на
себе постоянный электрич. заряд
(электреты). Электретная полимерная
плёнка помещается в зазоре между
электродами. Свойства полимерных
электретов позволяют обеспечить ста-
стабильную работу микрофонов в тече-
течение десятков лет при заряде, соответ-
соответствующем напряжению 150 В.
В диапазоне звуковых частот чувст-
чувствительность Э. п. колеблется в преде-
пределах 5—50 мВ/Па при динамич. диапа-
диапазоне 10—150 дБ. У более высокочастот-
высокочастотных Э. п. (известны миниатюрные Э. п.
с линейной характеристикой вплоть
до 100—140 кГц) чувствительность
снижена до 0,5—3 мВ/Па, зато они
могут работать в полях со звуковыми
давлениями до 174—184 дБ.
Разновидностью Э. п. являются
акустич. зонды, предназначенные для
измерений в малых объёмах и трудно-
труднодоступных местах. Для этого служат
трубчатые звукопроводы. Такие зонды
могут выполняться как обычные кон-
конденсаторные микрофоны, но снабжён-
снабжённые трубчатыми насадками разной
длины и диаметра, либо иметь «беско-
«бесконечную» длинную линию, обеспечиваю-
обеспечивающую режим бегущей волны в приём-
приёмной трубке с целью устранения в ней
нежелательных резонансов.
Э. п., предназначенные для измере-
измерения колебаний поверхностей твёрдых
тел, устроены, в принципе, аналогич-
аналогично Э. п. для воздушной среды, только
подвижным электродом служит сама
колеблющаяся поверхность тела, ам-
амплитуду колебаний к-рой необходимо
измерить. В таких Э. п. чаще приме-
применяется способ измерения амплитуды
колебаний, основанный на частотной
модуляции. Детектируя полученный
высокочастотный сигнал, можно опре-
определить частоту и амплитуду колеба-
колебаний вибрирующей поверхности.
Лит.: Беранек Л., Акустические
измерения, пер. с англ., М., 1952; Э ф р у с-
си М. М., Микрофоны и их применение,
М., 1974; Б л и н о в а Л. П., Колесни-
Колесников А. Е., Ланганс Л. В., Акустиче-
Акустические измерения, М., 1971. Ю. Я. Борисов.
ЭЛЕКТРОСТРИКЦИЯ — деформа-
деформация твёрдых, жидких и газообразных
диэлектриков в электрич. поле, об-
обусловленная их поляризацией и про-
пропорциональная квадрату напряжён-
напряжённости электрич. поля. Квадратичная
зависимость деформации от поля Е
означает, в частности, что знак Э.
(т. е. расширяется или сжимается
вещество в электрич. поле) не зависит
от направления поля. В переменном
поле в результате Э. механич. колеба-
колебания происходят с частотой вдвое боль-
большей, чем частота поля. В твёрдых те-
телах Э. выражается квадратичной фор-
формой:
и1п
где м;т — компонента тензора де-
деформации, Ei и Ej — составляющие
электрич. ноля, qijtm — коэффициенты
Э.; все индексы i, j, I, m принимают
значения 1, 2, 3 или соответственно
х, у, z. В газах и жидкостях Э. описы-
описывают ф-лой: AV/V = АЕ2, где AF/F —
относительная объёмная деформация,
А — постоянная Э.
Э. обусловлена поляризацией ди-
диэлектриков в электрич. поле, т. е.
смещением под действием поля ато-
эмиссия
391
мов, несущих на себе электрич. заря-
заряды (ионы, электрич. диполи), или из-
изменением ориентации диполей. Э. об-
обладают- все твёрдые диэлектрики не-
независимо от их структуры и симмет-
симметрии в отличие от пъезоэффекта, к-рый
наблюдается только у сред, не имею-
имеющих центра симметрии (см. Пьезоэлек-
Пьезоэлектричество). С другой стороны, созда-
создание механпч. напряжений в вещест-
веществах, обладающих Э., но не являю-
являющихся пьезоэлектриками, не сопро-
сопровождается возникновением электрич.
поляризации и соответственно элек-
электрич. ноля: в средах, обладающих
центром симметрии, однородная де-
деформация, возникающая под действи-
действием механич. напряжений, вызывает
однородное изменение расстояний
между зарядами атомов и, следова-
следовательно, не приводит к появлению
элоктрмч. момента, т. е, поляризации.
Поэтому, в принципе, Э. можно ис-
использовать для возбуждения звука
(с удвоенной по отношению к' элек-
электрич. полю частотой), но не для пре-
преобразования звуковых колебаний в
электрические.
Количественно электрострикцион-
ная деформация твёрдых тел меньше,
чем пьезоэлектрическая. Величина q
у кристаллов имеет порядок 10~14—
Ю-10 ед. СГСЭ. В поле Е = 1 ед. СГСЭ
C00 В/см) обусловленная Э. деформа-
деформация в кристаллах не превышает по
порядку величины 3-Ю0, в то время
как пьеэоэлектрич. деформация даже
при относительно малом пьезомодуле
dih = 10~8 ед. СГСЭ имеет порядок
10~8, а в нек-рых случаях достигает
-Ю-'.
Э. наблюдается в газах, обладаю-
обладающих дипольньши моментами. Среди
жидкостей наибольшей Э. также обла-
обладают дипольные, хотя, в принципе,
зависимость плотности от электрич.
поля имеет место в любой диэлектрич.
жидкости. Согласно термодинамич.
теории, в изотропном веществе А =
= — р — , где В — сжимаемость,
8я \вр ]
р — плотность, е — диэлектрич. про-
проницаемость. Величина А в таких жид-
жидкостях, как ксилол, толуол, нитробен-
нитробензол, имеет порядок 10~12 ед. СГСЭ.
Наличие свободных зарядов (элек-
(электронов и ионов) не исключает Э., к-рая
наблюдается не только у чистых ди-
диэлектриков, но и у ионизированных
газов, электролитов и полупроводни-
полупроводников, однако, вследствие экранирова-
экранирования свободными зарядами, поле, дей-
действующее на связанные с атомами
заряды, оказывается уменьшенным.
В сильно проводящих средах, напр,
в металлах, электрич. поле равно
нулю и, следовательно, Э. отсутствует.
Особую роль играет Э. у сегнето-
электриков, где аномально большой
пьезоэффект обусловлен т. н. линеа-
линеаризованной Э., к-рая имеет место бла-
благодаря наличию в сегнетоэлектриках
постоянной, не зависящей от внешне-
внешнего поля, спонтанной поляризации Ps
(см. Сегнетоэлектричество) и, следо-
следовательно, большого спонтанного вну-
внутреннего поля Es, пропорционально-
пропорционального Ps. При воздействии переменного
внешнего поля с амплитудой Е~ < Es
основную роль в выражении для эф-
эффекта Э. приобретает член с часто-
частотой переменного ноля и амплиту-
амплитудой ~ ESE^, т. е. напряжённость
поля Es входит в качестве одного из
сомножителей в выражение ( *), тем
самым линеаризируя и усиливая де-
деформацию, возникающую в результа-
результате приложения внешнего поля. Харак-
Характерный пример линеаризации эффек-
эффектов Э.— поляризация пъезокерамики
постоянным полем.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц
Е. М., Электродинамика сплошных сред,
М., 1957; Тамм И. Е., Основы теории
электричества, 3 изд., М.— Л., 1946; Ж е-
лудев И. С, Физика кристаллических
диэлектриков, М., 1968. Р. Е. Пасынков.
ЭМИССИЯ акустическая —
излучение упругих волн, возникаю-
возникающее в процессе перестройки внутрен-
внутренней структуры твёрдых тел. Акустич.
Э. появляется при пластич. деформа-
деформации твёрдых материалов, при возник-
возникновении и развитии в них дефектов,
напр, при образовании трещин, при
фазовых превращениях, связанных с
изменением кристаллич. решётки, а
также при резании твёрдых материа-
материалов. Фпзич. механизмом, объясняю-
объясняющим ряд особенностей акустич. Э.,
является движение в веществе дисло-
дислокаций и их скоплений. Неравномер-
Неравномерность, прерывистость дислокационных
процессов, связанных с отрывом дис-
дислокаций от точек закрепления, тормо-
торможением их у препятствий, возникнове-
возникновением и уничтожением отдельных дис-
дислокаций, является причиной, обуслов-
обусловливающей излучение волн напряже-
напряжения, т. е. акустич. Э. Соответственно
акустич. Э. имеет «взрывной», им-
392
эмиссия
пульсный характер; длительность им-
лульса может составлять 10~8 —10~4с,
энергия отдельного импульса — от 10~9
до 10~s Дж.
В качестве источника акустич. Э.
можно рассматривать расположенный
в глубине образца твёрдого тела эле-
элемент объёма, испытывающий измене-
изменение напряжённого состояния. Сигналы
акустич. Э. проявляются в виде коле-
колебаний поверхности образца, смещение
при к-рых составляет 10 м — 10~7м;
иногда эти сигналы достаточно сильвы
п могут восприниматься на слух
(напр., «крик олова» при пластич.
деформировании этого материала).
Сигнал Э., распространяясь от источ-
источника к поверхности образца, претер-
претерпевает существенное искажение вслед-
вследствие дисперсии скорости звука, транс-
трансформации типа и формы волны при
отражении, затухания звука и др.
Если время затухания сигнала и время
переходных процессов в образце мень-
меньше промежутка времени между излу-
излучаемыми импульсами, Э. воспринима-
воспринимается в виде последовательности им-
импульсов и наз. дискретной или им-
импульсной. Если же интервал между
отдельными актами излучения меньше
времени затухания, Э. имеет характер
непрерывного излучения, в подавляю-
подавляющем большинстве случаев нестацио-
нестационарного, и наз. непрерывной или
сплошной. Дискретная Э. имеет ме-
место, напр., при образовании трещин,
непрерывная — в нродессе резания.
Частотный спектр акустич. Э. весьма
широк — он простирается от области
слышимых частот до десятков и сотен
МГц.
Акустич. Э. пользуются для полу-
получения информации о процессах, про-
происходящих внутри вещества, для не-
разрушающих испытаний материалов
и, в частности, для обнаружения де-
дефектов в деталях и конструкциях.
Сигналы Э. принимают на поверхности
образца обычно посредством контакт-
контактных виброметров, велосиметров или
акселерометров или же бесконтакт-
бесконтактными оптич. виброметрами (см. Приём-
Приёмники и индикаторы ультразвука).
В большинстве методов испытаний
материалов применяют механич. на-
гружение образца: сигналы Э. регист-
регистрируются в процессе возрастания или
убывания приложенного к образцу
внешнего механич. напряжения. Де-
Деформация всего образца при таком
нагружении обычно не выходит за
предел упругости материала, однако
концентрация напряжений вблизи де-
дефектов вызывает локальное пластич.
деформирование и соответственно по-
появление Э. Объём области пластич. де-
деформации зависит от размера дефекта,
его локализации по отношению к дей-
действующему напряжению и от величины
этого напряжения. От этого объёма
зависит, в свою очередь, интенсив-
интенсивность сигналов Э.
Для неразрушающего контроля важ-
важно сопоставлевие параметров излучае-
излучаемых акустич. сигналов с параметрами
дефекта — его размерами и положе-
положением или с характеристиками проис-
происходящих в веществе процессов. К ос-
основным параметрам, характеризую-
характеризующим акустич. Э., относятся: общее
число импульсов дискретной Э. за
исследуемый промежуток времени;
т. н. суммарная (или интегральная)
Э.— число превышений сигналом Э.
установленного уровня за исследуе-
исследуемый промежуток времени; интенсив-
интенсивность Э.— число превышений сигна-
сигналом Э. установленного уровня в еди-
единицу времени; амплитуда Э.— мак-
N'to'.3
имп.
с
D
А.мнВ
150
50
0
Р.кН
15
10
5
0
Зависимость интенсивности акустической
эмиссии JV и её амплитуды А на выходе
преобразователя от времени при возраста-
возрастании приложенной к образцу растягиваю-
растягивающей силы Р. Образец из алюминиевого
сплава сечением 30 X 4 мм2 с надрезом
глубиной 10 мм и начальной трещиной.
симальное значение сигнала Э. в те-
течение заданного промежутка времени;
уровень сигналов Э.'— среднее квад-
квадратичное сигнала за рассматривав-
ЭМУЛЬГИРОВАНИЕ
393
мый промежуток времени. Корреля-
Корреляцию этих параметров с развитием де-
дефектов устанавливают при лаборатор-
лабораторных испытаниях образцов, в процессе
к-рых регистрируют в функции вре-
времени параметры акустич. Э. и дейст-
действующую внешнюю силу или деформа-
деформацию образца (рис.). Если акустич. Э.
имеет квазистационарный характер,
параметром Э., дающим информацию
о состоянии материала и о происходя-
происходящих в нём процессах, может служить
её частотный спектр.
Для регистрации параметров аку-
акустич. Э., а также для записи формы
сигналов и их длительности приме-
применяют специальную аппаратуру, к-рая
должна обеспечивать приём слабых
сигналов Э. на фоне шумов, обладать
необходимым быстродействием (ин-
(интенсивность Э. меняется в пределах от
О до 105 импульсов в секунду) и малы-
малыми, собственными шумами, вносить
минимальные искажения. В качестве
приёмников колебаний в большинстве
случаев используются пьезокерамич.
преобразователи; при определении ме-
местоположения дефекта на испытуе-
испытуемом образце иногда располагают не-
несколько приёмных преобразователей.
Используются также оптич. интерфе-
интерференционные методы измерения коле-
колебаний с применением лазерного излу-
излучения. Сигналы с датчиков колебаний
усиливают и подвергают дальнейшей
обработке с помощью электронной
аппаратуры.. Обычно рабочий диапа-
диапазон аппаратуры ограничивают снизу
частотой ~30 кГц, чтобы уменьшить
влияние окружающих шумов, а свер-
сверху — частотой ^нескольких МГц, по-
поскольку создание более высокочастот-
высокочастотной аппаратуры представляет большие
технич. трудности.
Применяемые при испытаниях ма-
материалов и конструкций нагружаю-
нагружающие устройства должны обеспечивать
создание необходимых сил (для метал-
металлов обычно до 104—10s H) при задан-
заданной скорости нагружения, варьируе-
варьируемой от 0 до 70 Н/с. Наряду со специ-
специальными механич. устройствами и с ис-
использованием грузов, для создания
напряжений в образцах применяются
гидравлич. и тепловые методы. Ввиду
весьма низкого уровня сигналов аку-
акустич. Э. вносимые нагружающими
устройствами шумы (в т. ч. в местах
закрепления образцов) должны быть
сведены к минимуму.
Методы Э. находят широкое прак-
тич. применение. Они используются
для раннего распознавания трещин
при испытаниях материалов на пол-
ползучесть, для выявления скрытых де-
дефектов на стадии их зарождения, для
исследования коррозии металлов под,
напряжением, для определения дефек-
дефектов в металлич. и неметаллич. компо-
композиционных материалах, для локации
дефектов и изучения кинетики разви-
развития трещин в сварных швах и др. По
параметрам Э. судят о процессах в
кристаллпч. телах при их нагревании
и охлаждении, напр, регистрируют
в металлич. материалах фазовые пре-
превращения мартенситного типа. Аку-
Акустич. Э. используется также при
выборе режимов резания металлов.
В производственных условиях ме-
методы акустич. Э. применяются для
локализации и определения парамет-
параметров дефектов и наблюдения за их раз-
развитием при испытаниях сосудов высо-
высокого давления, элементов конструк-
конструкций различного типа, в т. ч. элемен-
элементов ракет и самолётов.
Лит.: Грешников В. А., Дро-
бот Ю. Б., Акустическая эмиссия, М.,
1976; Коттрел А. X., Дислокации и
пластическое течение в кристаллах, М.,
1958; D u n e g a n H., Harris D., «Ul-
«Ultrasonics», 1969, v. 7, № 3, p. 160—66;
MasonW.P. и д р., там же, 1975, v. 13,
№3, p. 128—75; Grab ее I., Lesko-
var P., там же, 1977, v. 15, № 1, p. 17—20.
И. П. Голямина, Г. И. Эскин.
ЭМУЛЬГИРОВАНИЕ ультра-
ультразвуковое — переход одной из
взаимно нерастворимых жидкостей
в дисперсное состояние в среде другой
под действием акустич. колебаний,*
или, иначе, УЗ-вое диспергирование
жидкости в жидкости. УЗ-вое Э. поз-
позволяет получать высокодисперсные,
практически однородные и химиче-
химически чистые эмульсии. Для протекания
УЗ-вого Э. необходима кавитация,
условия возникновения и протекания
к-рой определяют основные зависи-
зависимости Э. от интенсивности и частоты
УЗ, темп-ры, давления, наличия раст-
растворённых газов и т. п. Детальный
механизм образования капель эмуль-
эмульсии под действием кавитации не из-
известен, существуют лишь гипотезы.
В соответствии с одной из них кавита-
ционная полость в одной из жидко-
жидкостей вблизи раздела двух фаз в ста-
стадии захлопывания увлекает и отры-
отрывает капельки от общей массы другой
жидкости. Другая гипотеза объясня-
394
ЭНЕРГИЯ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ
«т образование эмульсии распадом на
капельки кумулятивных струй, обра-
образующихся при несимметричном захло-
захлопывании кавитационных полостей. Э.
начинается, когда интенсивность /
УЗ превышает нек-рое пороговое зна-
значение /п, ниже к-рого процесс не про-
протекает. Напр., /п для систем масло —
вода на частоте 25 кГц лежит в преде-
пределах от долей Вт/см2 до нескольких
Вт/см2. Величина /„ снижается, если
Э. протекает вблизи поверхности твёр-
твёрдой фазы, инициирующей образова-
образование кавитации. При I > 1п скорость
образования эмульсии растёт с увели-
увеличением интенсивности УЗ. С увеличе-
увеличением времени экспонирования кон-
концентрация эмульсии возрастает, до-
достигая нек-рого предельного значе-
лия. Существование предельной кон-
концентрации обусловлено одновремен-
одновременным протеканием процесса противо-
противоположного направления — акустич.
коагуляции — и изменением в ходе
процесса условий для возникнове-
возникновения кавитации. Выражение, описы-
описывающее кинетику УЗ-вого Э. с учётом
протекания коагуляции, имеет вид:
где V — объём рассматриваемой
эмульсии, С — концентрация, А —
площадь границы раздела двух жид-
жидких фаз, аир — параметры, завися-
зависящие от акустич. поля, свойств границы
раздела и других условий эксперимен-
эксперимента, А а — скорость образования дис-
дисперсной фазы, pFCn — скорость коа-
коагуляции, п — показатель коагуляции,
равный числу взаимодействующих ча-
частиц. Э. может протекать в широком
диапазоне частот; практически исполь-
используемые частоты не превышают 2—
3 МГц. Диаметр капель дисперсной
фазы не зависит от интенсивности УЗ
м незначительно зависит от частоты.
Так, напр., при увеличении частоты
УЗ с 20 кГц до 2 МГц диаметр капель
уменьшается лишь вдвое. Минималь-
Минимальный размер капель при УЗ-вом Э.
101 Об
10"
рр р
мкм. Образование дисперсной
б
р др
фазы облегчается с понижением вяз-
вязкости исходных компонентов. С умень-
уменьшением межфазного натяжения сни-
снижается значение /П, а при заданных
надпороговых значениях / можно по-
получать более концентрированные
эмульсии.
В зависимости от типа излучателя
ультразвука, применяемого в эмуль-
эмульгирующем устройстве, различают два
способа Э.: 1) с использованием магни-
тострикционных или пьезоэлектрич.
преобразователей, создающих УЗ-вое
поле в сосуде со смешиваемыми жид-
жидкостями. Это сравнительно дорогой
способ Э., позволяющий получать вы-
высококачественную, практически моно-
монодисперсную эмульсию. Производи-
Производительность УЗ-вого Э. составляет де-
десятки и сотни литров эмульсии в час.
2) С использованием гидродинамиче-
гидродинамических излучателей. В этом случае струи
смешиваемых жидкостей подаются из
сопла на острый край вибратора жид-
жидкостного свистка. Помимо кавитации,
диспергирующее действие здесь ока-
оказывают турбулентные пульсации ско-
скорости и давления в струе. Такие
эмульгирующие устройства просты в
изготовлении и эксплуатации, поз-
позволяют достигнуть больших произ-
водительностей — порядка тысяч и
десятков тысяч л/ч, однако качество
эмульсии ниже, чем при первом спо-
способе Э.
Лит.: Недужий С. А., Исследование
процесса образования эмульсий, вызывае-
вызываемого действием звуковых и ультразвуко-
ультразвуковых колебаний, «Акуст. ж.», 1961, т. 7, в. 3;
е г о ж е, О характере возмущений, вы-
вызывающих образование дисперсной фазы
эмульсии в акустическом поле, там же,
1964, т. 10, в. 4; А г р а н а т Б. А. и д р.,
Ультразвук в гидрометаллургии, М., 1969,
с. 127—33; Бергман Л., Ультразвук и
его применение в науке и технике, пер. с
нем., 2 изд., М., 1957, с. 462—69; А г р а-
натБ. А. идр., Ультразвуковая техноло-
технология, М., 1974. О. И. Экиадиосянц.
ЭНЕРГИЯ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ —
добавочная энергия среды, обуслов-
обусловленная наличием звуковых волн.
Э. з. в. единицы объёма среды наз.
плотностью звуковой энергии Е и
равна: ¦
F — .?21 _l i?l
2 "i" 2 '
где первый член — плотность кинетич.
энергии ?Кин. а второй — плотность
потенциальной энергии ЕпоТ, р —
плотность среды, р = 1/рс2 — сжимае-
сжимаемость среды, с — скорость звука, v —
колебательная скорость частиц, р —
звуковое давление. Для плоской бе-
бегущей волны .Екин = .Епот и плот-
плотность полной энергии Е = ри2 = fip3.
В произвольной волне такое же вы-
выражение имеет место для среднего по
времени значения плотности полной
звуковой энергии.
эхолот
395
Плотность звуковой энергии в си-
системе единиц СИ измеряется в Дж/м3,
в системе С ГС — в эрг/см3; 1 эрг/см3 ==
= 10 Дж/м3. Для гармонич. плоской
бегущей звуковой волны средняя по
времени плотность энергии равна:
Е = V2pyjJ = V2P/>02, где v0 и р0 —
амплитуды колебательной скорости и
давления.
В стоячей волне в отличие от бегу-
бегущей средние по времени значения ки-
нетич. и потенциальной энергии не
равны друг другу в каждой точке:
^киы = -g" PPJ (I — cos 2**),
Ёпот= ±-$p'(l + cos2kx),
где к ¦— волновое число, а координата
х отсчитывается от пучности давле-
давления. Значение ?'КИн достигнет макси-
максимума в узлах, а. ?Пот — в пучностях
давления. Средняя по времени (или
по пространству) плотность полной
звуковой энергии в стоячей волне рав-
на Ч$р\
При наличии в среде нескольких
тармонич. волн разных частот плот-
плотности энергии складываются; для волн
же одинаковой частоты плотности
энергии не аддитивны, напр, при сло-
сложении двух одинаковых волн, когда
амплитуды во всех точках среды удва-
удваиваются, плотность энергии учетве-
учетверяется.
ЭХО — волна, отражённая от к.-л.
препятствия и принятая наблюдате-
наблюдателем. Акустич. Э. можно наблюдать,
напр., при отражении импульса аку-
акустического от хорошо отражающих
границ. Э. различимо на слух, если
принятый и послапный импульсы раз-
разделены интервалом времени т ^ 50—
60 мс. Э. становится многократным,
если имеется несколько отражающих
поверхностей. В замкнутых объёмах
отдельные многочисленные Э. слива-
сливаются в сплошной отзвук, наз. ревер-
реверберацией. Последняя может воз-
возникать также в открытом пространст-
пространстве, например в море, при наличии
очень большого числа отражающих
объектов.
Э. используется как средство изме-
измерения расстояния г от источника сиг-
сигнала до отражающего объекта: г =
= ст/2, где с — скорость распростра-
распространения волн в среде. На этом принципе
основаны различные применения эхо-
сигналов в гидролокации, в навигации;
существуют специальные эхолоты для
измерения глубины морского дна. Эхо-
методы используются в УЗ-вой дефек-
дефектоскопии, УЗ-вых уровнемерах и дру-
других приборах, связанных с контроль-
контрольно-измерительными применениями
ультразвука. Акустич. Э. служит для
нек-рых животных средством ориенти-
ориентировки и поиска добычи (см. Локация).
ЭХОЛОТ — навигационный при-
прибор, предназначенный для определе-
определения глубины водоёмов с помощью
акустических эхо-сигналов. Действие
Э. основано на измерении промежутка
времени т, прошедшего от момента по-
посылки зондирующего звукового им-
импульса до момента приёма отражён-
отражённого от дна эхо-сигнала. Глубина дна
h = ст/2, где с — скорость звука в во-
воде. В качестве зондирующей посылки
в Э. используются импульсы акустиче-
акустические длительностью порядка несколь-
нескольких мс и с частотой заполнения от еди-
единиц до нескольких десятков (иногда
сотен) кГц. Малые длительности и вы-
высокие частоты используются при изме-
измерении малых глубин, большие длитель-
длительности и низкие частоты — при измере-
Рис. 1. Принципиальная схема устройства
эхолота.
нии больших глубин. Упрощённая
схема действия Э. приведена на рис. 1.
Мощный УЗ-вой импульс от генера-
генератора 1 поступает на направленный из-
излучатель (антенну) 2 и излучается
в воду; отражённый сигнал принима-
принимается антенной 3, усиливается усилите-
усилителем 4 и подаётся на блок слухового
контроля 5 и индикатор или регистра-
регистратор 6. В качестве излучателя и при-
приёмника пользуются гл. обр. магни-
тострикционными преобразователями
или пьозокерамич. преобразователя-
преобразователями (см. Пьезоэлектрические преобразо-
преобразователи), работающими на одной или
нескольких резонансных частотах. Не-
Нередко один и тот же преобразователь
служит излучателем и приёмником.
396
ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
В качестве индикаторов глубин при-
применяются проблесковые указатели
с вращающейся неоновой лампой,
вспыхивающей в момент приёма эхо-
сигнала, стрелочные, цифровые, элек-
электроннолучевые указатели, а также
регистраторы-самописцы, записываю-
записывающие измеряемые глубины на движу-
движущейся бумажной ленте электротермия,
или химич. способом. При регистра-
регистрации принятого, усиленного и проде-
тектированного сигнала с помощью
химич. рекордера глубины применя-
применяется специальная электрохимия, бу-
бумага, пропитанная раствором йоди-
йодистого калия; эта бумага находится
между двумя контактами, один из
к-рых помещён на равномерно движу-
движущейся каретке, а другим является
неподвижная металлич. пластина; по-
почернение бумаги пропорционально си-
силе тока, проходящего через эти кон-
контакты. Запуск генератора импульсов 1
(рис. 1) управляется при помощи реле,
к-рое включается в начальный момент
движения каретки 7; после того как
каретка прошла всю шкалу рекордера,
она быстро возвращается в первона-
первоначальное положение и вновь запускает
генератор. Бумага регистратора мед-
медленно движется перпендикулярно дви-
движению каретки, и таким образом осу-
осуществляется развёртка по расстоянию
и по времени (рис. 2). Линия 1 соот-
соответствует приходу прямого излучае-
излучаемого импульса, линия 2— отражениям
от дна; на этой же записи видны отра-
отражения 3 от слоя, состоящего из боль-
большого скопления рассеивателей биоло-
гич. происхождения на глубине 50 м,
и более глубокого слоя 4 на глубине
150 м, состоящего из небольшого ко-
количества крупных рыб, дающих ха-
характерные записи в виде отрезков ги-
гипербол (т. н. птичек). Большинство
современных Э. имеет довольно широ-
широкую диаграмму направленности (—30°)
и довольно большие боковые лепестки,
поэтому существует нек-рая неопреде-
неопределённость при расшифровке рекордо-
грамм. Для подробной и более точной
съёмки дна в последнее время созда-
создаются УЗ-вые Э. с очень узкой шири-
шириной луча (около 1°) и стабилизирован-
стабилизированной в пространстве платформой, на
к-рой расположены излучатель и при-
приёмник.
Э. изготавливаются на разные интер-
интервалы глубин, в пределах от 0,1 м до
12 000 м, и работают при скоростях
судна до 50 км/ч и более. Разрешаю-
Разрешающая способность по глубине определя-
определяется в основном длительностью зонди-
зондирующего импульса и в меньшей ме-
мере — шириной характеристики на-
Рис. 2. Типичный вид записи рекордера
эхолота (каретка рекордера при записи
двигалась вертикально).
правленности. Погрешность Э. состав-
составляет от 1 % до сотых долей %.
Э. используют также в качестве ры-
болокаторов для поиска косяков ры-
рыбы и для разнообразных гидроаку-
стич. исследований. В зависимости от
назначения и измеряемых глубин вес
Э. может быть от нескольких кгс до
сотен кгс, а потребляемая мощность —
от нескольких Вт до нескольких кВт.
Лит.: Логинов К. В., Гидроакусти-
Гидроакустические поисковые приборы, М., 1964; Ф е-
д о р о' в И. И., Эхолоты и другие гидро-
гидроакустические средства, Л., 1960; Толма-
Толмачев Д., Федоров И., «Техника и воо-
вооружение», 1977, № 1, с. 18.
ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗО-
РЕЗОНАНС акустический — см. Аку-
стический ядерный магнитный ре-
резонанс.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аберрация 369
Акустическая ветвь колебаний решётки 164
Акустические единицы 24
Акустические течения 25, 233
Акустический ветер 26
Акустический излучатель 26
Акустический парамагнитный резонанс 26
Акустический ядерный магнитный резо-
резонанс 28
Акустическое излучение кавитации 160
Акустическое сопротивление 31
Акустооптика 31
Акустооптическая дифракция 126
Акустооптические устройства 33
Акустооптическое качество материала 39, 40,
128
Акустоэлектрический эффект 40
Акустоэлектроника 42
—, устройства 45
Акустоэлектронное взаимодействие 50, 52
Акцепторы 265
Амплитуда колебаний 50
— волны 67
Антисегнетоэлектрики 319
Ахиезера механизм поглощения звука 261
Бернулли сила 267
Биения 51
Блага — Лангенекксра эффект 250
Больцмана постоянная 52
Брэгга угол 128
Брэгговская дифракция 128
Бьеркнеса силы 52, 266
Вайнрайха соотношение 40
Взаимодействие ультразвука с электронами
проводимости 52
Бидемана эффект 200
Виделгана — Франца закон 211
Визуализация звукового поля 57
Вискозиметры 61
Воздействие ультразвука на электрохимиче-
электрохимические процессы 63
Волновод 44, 65
Волноводная линза 178
Волновое сопротивление 65
Волновое уравнение 71
— — Гельмгольца 72
Волновой вектор 67
Волны 66
Волны конечной амплитуды 72, 231
Вторая вязкость 238
Вынужденное Мандельштама — Бриллюэна
рассеяние 208
Вынужденные колебания 72
Выпрямленная диффузия 157
Газоструйные излучатели 73
Гальтона свисток 74
Гармоническая волна 67, 7 5
Гармонические колебания 75
Гартмана генератор 76
Генерация гармоник 225
Геометрическая акустика 77
Гидроакустические антенны 78, 83
Гидродинамические излучатели 79
Гидоодинамические силы в звуковом поле
81, 267
Гидролокатор 81
Гидролокация 83
Гидрофон 85
Гиперзвук 86
Глубина волнового фронта 367
Голограмма 90
Голографической интерференции метод 59
Голография акустическая 89
Горение в ультразвуковом поле 95
Грина — Кристоффсля уравнение 293
Групповая скорость 70, 97
Гука закон 223, 224
Гуляева — Блюхштейна волны 257
Давление звукового излучения 99, 233
Девиация частоты 100
Дегазация 100
Действие ультразвука на биологические
объекты 102
Дельта G-эффект 104
Дельта Е-оффект 104
Дефектоскоп 105
— — эходефектоскоп 106
— — велосиметрический 112
— — резонансный 110
Дефектоскопия 105
—, методы: акустико-топографический 112
-— — велосиметрический 112
— — импедансный 111
— — резонансный НО
— — свободных колебаний 111
— — теневой 109
— — эхометод 106, 108
Дефлекторы 34
Деформационный потенциал 113
Децибелл 114
Джоуля эффект 200
Диагностика 114
Динамический диапазон приёмников ультра-
ультразвука 270
Динамической голографии метод 93
Дислокации 116
Дислокационное поглощение 116
Диспергирование 118
Дисперсионных диаграмм метод 224
Дисперсия скорости звука 120
— — — в газах 120
— — — в жидкостях 121
— — — в микронеоднородных средах 123
— — — в твёрдых телах 122
— — —, обусловленная границами тела 124
— — —, свойствами среды 120
Дифракция волн 68
— звука 124
Дифракция света на ультразвуке 126
— — — — брегговская 128
— — — — в анизотропной среде 129
— — — — Рамана — Ната 128
— — — — резонансная 127
Диэлектрики 131
Длина волны 67, 132
Добротность 132
Домены 133
Доноры 265
Доплера эффект 71, 133
Запирающий слой 238
Зародыши кавитации 100, 134, 156
Затухание звука 135
Звуковизор 135
Звуковое давление 137
Звуковое поле 137
Звуковой ветер 25, 140
Звукокапиллярный эффект 140
Звуколюминесценция 141
Звукопровод 43, 44
Зеркало 142
Зонд акустический 270, 384
Изгибные волны 142
Излучатели ультразвука 13, 144
— — нулевого порядка 146
— — первого порядка 148
398
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Излучение звука 145
— — поршневое 146
Изонормальные волны 293, 296
Импеданс акустический 148
— — удельный 149
Импульс 66
— акустический 149
— звуковой волны 149
Индикаторы ультразвука 271
Интенсивность звука 150
Интерференция волн 68
— звука 150
Интерферометр 151
Ка>ввт»чнонна« эрозия 1<54
Кавитационно-абразивная эрозия 155
Кавитационные эффекты 159
Кавитация 100, 156
Квазипоперечные волны 293
Квазипродольные волны 293
Квант действия 249
Кёняга формула 267
Коагуляция акустическая 161
Колебания 162
— кристаллической решётки 163
Колебательная скорость частиц 165
Колебательное смещение частиц 166
Конвольвер 47, 166
Конволютор 47, 166
Коническая рефракция 295
Контрольно-измерительные применения
ультразвука 166
Концентратор 44, 169
— стержневой 170
— фокусирующий 169
Коэффициент магнитомеханической связи
104, 172
— усиления 367
— электромеханической связи 172, 279
Кристаллизация 173
Кристаллоакустика 292
Кристаллографические оси 323
Кронекера символ 266, 293
Кюри закон 248
— точка 175, 248
Кюри — Вейсса закон 176
Ландау — Румера механизм поглощения
звука 261
Линза акустическая 176
— волноводная 178
— Люнеберга 178
Линза Максвелла 178
— неоднородная 178
— с переменным фокусным расстоянием 178
Линии задержки 46, 178
— — калибрационные 181
— — многоотводные 181, 185
— — переменные 181, 184
— — на объёмных волнах 180
— — на поверхностных волнах 183
— — гиперэвуковые 182
— — дисперсионные 182, 185
— — волноводные 186
Логарифмический декремент затухания 257
Локация 187
Лужение 189
Лэмба волны 189
Люминесценция 191
Люнеберга линза 178
Лява волны 191
Магнитострикционные материалы 191
Магнитострикционный преобразователь 196
Магнитострикция 200
Магнитоупругие волны 203
Магнон 205
Магнон-фононное взаимодействие 205
Максвелла линза 178
Мандельштама — Бриллюэна рассеяние 205
— — — вынужденное 208
Маха число 209, 231
Междуна<)одпциГ~С»мволы классов симмет-
ЯГ22
р
Мёртвая зона 107, 209
Металлизация и пайка 209
Металлы 21Т
Механическая о^даботка ультразвуком 212
Механическое сопротивление 149, 216
Миллеровские индексы 324
Микроскоп акустический 216
Микроскоп ультразвуковой 217
Модуляторы 35
Модуляция колебаний 217
Моды колебаний 219
Молекулярная акустика 219
Монохроматическая волна 220
Мощность звука 220
Направленная диффузия 157
Направленность излучателей и приёмников
221
Нееля точка 248
Нелинейное взаимодействие 223
— — акустических волн 226
— — акустических и электромагнитных
волн 229
— —, механизм взаимодействия 227
— —, экспериментальные исследования 228
Нелинейные устройства акустоэлектроникл
46
Нелинейное поглощение звука 230
Нелинейные эффекты 231
Нормальные волны 234
— — в пластинах и стержнях 235
Нормальные колебания 237
Нуссельта критерий 342
Ньютон 238
Обеднённый слой 238, 274
Объёмная вязкость 238
— скорость 239
Ом акустический 240
— механический 240
Оптическая ветвь колебаний решётки 164
Отражение звука 240
— волн 69
Очистка 242
—, виды загрязнений 243
—, механизм очистки 242
—, роль физико-хим. свойств моющей жид-
жидкости, 244
—, — характеристик звукового поля.
—, травление 247
—, установки для очистки 245
— шлифовального круга 216
Пайка 210, 247
Парамагнетики 247
Паскаль 24, 248
Период колебаний 248
— волны 67
Пироэлектрики 248, 277
Пироэлектричество 248
Планка постоянная 249
Пластическая деформация 249
Плёночный преобразователь 252
магнитострикционный 252
— — пьезополупроводниковый 252
Плоская волна 253
р — п-переход 253
Поверхностная обработка металлов 254
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
399
Поверхностного рельефа метод 93
Поверхностные волны 255
— —, усиление 359
Поглощение звука 257
— — в высокополимерах, резинах и пласт-
пластмассах 260
— — в газах 258
— — в жидкостях 259
— — в твёрдых телах 260
— — методы измерения 263
— ультразвука электронное 54
Поккельса постоянная 128
Полевой преобразователь 264
Полупроводники 264
— дырочные 265
— злектронные 265
Полупроводниковый переход 253, 265
Поляризация волн 69
Пондеромоторные силы 265
— — Бернулли 267
— — Бьеркнеса 266
— — гидродинамические 267
— — постоянные 266
Поперечные волны 66, 267
Порог кавитации 267
Потенциал-деформационное взаимодействие
53, 267
Преломление звука 267
— волн 69
Преобразователь, с диффузионным слоем 268
Преобразователь с запирающим слоем 268
Приемники и индикаторы ультразвука 269
— — — — индикаторы 271
— — — — приемники 15, 269
Присоединённая масса 147
Проводимость акустическая 272
— полупроводника 264
Продольные волны 272
Производительность излучателя 272
Процессоры 36
Пучность 272
Пьезокерамика 272
Пьезомодуль 287
Пьезополупроводник 274
Пьезополупроводниковый преобразователь
274
Пьезоэлектрики 277
Пьезоэлектрические материалы 278
— преобразователь 282
— взаимодействие с электронами проводи-
проводимости 53
Пьезоэлектричество 286
Пьезоэлемент 288
Пьезоэффект 289
— уравнения 287
Радиационное давление 290
Радиометр 290
Размер зрачка фокусирующей системы 367
Размерная обработка материала 212
Рамана — Ната дифракция 128
Распространение ультразвука 291
— — в кристаллах 292
Распыление 297
Рассеяние звука 299
Расходомер 300
Реверберация 395
Резание 214, 301
Резонанс 301
— геометрический 56
— магнетоакустический 56
— циклотронный 56
Резонансная дифракция 127
Резонатор 44, 46
Рейнольдса число 303
Релаксация акустическая 304
Рефлектор 306
Рефракция 268
— коническая 295
Рэлея волны 255, 308
Рэлея диск 309
Сварка 310
— металлов 310
— полимеров 312
Свёртка 47, 48, 49, 50
Свистки 313
— вихревой 314
— Гальтона 74
— губной 314
— Левавассера 314
Свободные колебания 315
Сдвиговая вязкость 238
Сдвиговые волны 315
Сегнетоэлектрйки 277, 316
Сегнетоэлектричество 317
Сент — Клера излучатели 385
Сигнализаторы уровня 319
Сила звука 150, 321
Символы Миллера 327
Симметрия кристаллов 321
Сирены 324
Сканеры 34
Скин — слой 211
Скин — эффект 211
Скорость звука 326
— — в газах и жидкостях 326
— — в твёрдых телах 328
Снеллиуса закон
— — первый 240
— — второй 241
Снятие заусенцев 215
Собственная частота 330
Собственные колебания 237, 330
Сонолюминесценция 330
Спектр колебаний 330
Спектроскопия ультразвуковая 331
Спин 331
Спиновые волны 332
Спин-решёточная релаксация 333
Спин-фононное взаимодействие 333
— — электронное 333
ядерное 335
Стокса формула 267
Стоили волны 256, 335
Стоячие волны 68, 335
Струхаля число 338
Сушка 338
Твердомер 340
Температурный коэффициент задержки 179
Теплера метод 58
Тепломассообмен в ультразвуковом поле 340
Терапия 342
Термические приёмники 343
Течеискатели 345
Толщиномер 110, 345
Травление 247, 346
Трение 346
Удельный акустический импеданс 149
Узел 347
Ультразвук 9
— в металлургии 347
Ультразвуковая технология 350
Упрочнение ультразвуковое 254, 351
Упругие волны 351
Упругооптическая постоянная 126
Уровень звукового давления 353
— интенсивности звука 150, 353
— ложных сигналов 179
Уровнемеры
Усиление ультразвука 355
— —, усилители 357
— —, кристаллы для усилителей 356
— поверхностных акустич. волн 359
400
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Условия синхронизма 224
Усилители ультразвука 357
— — на ПАВ 46
Устройства акустоэлектроники 45
Фаза 67, 360
Фазовая скорость 70, .460
Фазового контраста метод 50
Ферми поверхность 212
Ферми энергия 212
Ферриты 361
Ферромагнетизм 361
Ферромагнетики 363
Ферроэлектрики 363
фррроэлектричестио 36 3
Физико-химическое действие ультразвука
:!63
Фильтры 45, 363
— акустооптические 36
— акустозлектронные на ПАВ 45, 46
Флотация 36 5
Фокусировка звука 36 7
Фонон 370
Фононное эхо 3 7 2, 383
Фононной вязкости механизм 261
Фонон-фононное взаимодействие 223
Фотон 372
Фотон-фононные взаимодействия 126, 20 5,
372
Френеля формулы 241
Фронт волны 67
Фронт кристаллизации 173
Характеристика направленности 221
, ширина 222
Химическое действие ультразвука 373
Хирургия ультразвуковая 3 75
Хладни фигуры 3 76
Холла эффект 211
Циклотронная частота 212
Частота колебаний 67, 3 77
Число кавитации 158
Чувствительность приёмников 270
Эккартовы потоки 25, 341
Экранирование электрон-фононного взпимо-
де.йствия 54
Электреты 3 77
Электроакустические преобразователи 380
Электроакустическое эхо 383
Электродинамические излучатели 3 84
Электродинамические приёмники 386
Электрозвуковые волны 257
Электромеханические и электроакустиче-
электроакустические аналогии 387
Электрон 38 9
Электронная акустическая нелинейность 57
Электронно-дырочный переход 253
Электронное поглощение ультразвука в ме-
металлах 54
— — — в полупроводниках 56
Электронный парамагнитный резонанс аку-
акустический 26, 3 89
Электрон-фононное взаимодействие 52, 3 89
Электростатические приёмники 3 89
Электрострикция 3 90
Эмиссия акустическая 391
Эмульгирование 393
Энергия звуковой волны 394
Эхо 395
Эхограмма 115
Эхолот 395
Ядерный магнитный резонанс акустический
396
Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред.
У51 И. П. Голямина.—М.".«Советская энциклопедия»,
1979. —400 с, илл.
Энциклопедия «Ультразвук» знакомит читателя с различными физически-
физическими явлениями, связанными с распространением ультразвука и гиперзвука,
а также с использованием их в науке и технике.
Книга представляет интерес для инженеров, преподавателей вузов, сту-
студентов, врачей и др.
, 20404—012
007@1)—79
БЗ—45—9—1979. 1704030000
ИБ №49
534@3)
Сдано в набор 6. 12. 78. Подписано в печать 11. 5. 79. Т-10101. Формат бумаги 6Ox9oVi6-
Бумага типографская № 1. Гарнитура обыкновенно-новая. Печать высокая. Объем изда-
издания: 25,0 усл. печ. л.; 39,98 уч.-изд. л. Тираж 40000 экз. 3aK.Ni 2154. Цена 2 руб. 90 коп.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Советская Энциклопедия», 109817.
Москва, Ж-28, Покровский бульвар, 8.
Ордена Трудового Красного Знамени Московская типография JMa 2 «Г.оюзполиграфпрома»
при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной тор-
торговли. Москва, 129085. Проспект Мира, 105.