23) Ультразвук. Источники и приемники ультразвука, его основные свойства. Ультразвуковая эхолокация.

Ультразвуком (УЗ)называют механические колебания и волны с частотами более 16-20 кГц.

Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, поскольку верхняя граница слухового восприятия человека имеет значительный разброс для различных индивидуумов. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах граничная частота~10⁹ Гц, в жидкостях и твердых телах~ 10¹²-10¹³ Гц.

Физическая природа ультразвука такая же, что для звуковых волн любого диапазона частот, однако он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его большое значение в науке и технике. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн.

Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия или неоднородности в среде, такой ультразвуковой луч испытываетотражение ипреломление.При попадании луча на малые препятствия или дефекты возникаетрассеянная волна.

Это позволяет обнаруживать в среде весьма малые неоднородности, порядка десятых и сотых долей мм.

В природе ультразвук встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира

Искусственные излучатели ультразвука основаны на явлении магнитострикции(при более низких частотах) иобратного пьезоэлектрического эффекта (при более высоких). Магнитострикция заключается в незаметных для глаза колебаниях (удлинении и укорочении) длины ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля в соответствии с частотой изменения знака поля.

Из искусственных излучателей ультразвука наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьзоэлектрического эффекта, который заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса

На явлении отражения УЗ от границы раздела сред основана эхолокация – метод локализации неоднородностей в средах.Использование УЗ для этих целей обусловлено его относительно малой длиной волны, что дает возможность получить направленный отраженный сигнал от неоднородностей.

Источник УЗ посылает ультразвуковой сигнал в импульсном режиме. После нескольких импульсов наступает пауза, в течение которой источник «ожидает» прихода отраженной волны. На экране локатора фактически представлена временная зависимость электрического напряжения, соответствующего посланному и зарегистрированному после отражения УЗ-сигналу.Зная интервал времени между импульсом посылки и отраженным импульсом (рис.6, б), а также скорость волны, можно найти расстояние от источника до границы отражения: