Учебно-исследовательская работа

Вторая Санкт-Петербургская гимназия

Исследовательская работа по теме:

Ультразвук и его взаимодействие со средой, в которой он находится.

Выполнил:

ученик 10-4 класса, Гусев Андрей

Руководитель:

Семенова Н.Н.

Санкт-Петербург, 2013

Содержание

Раздел                                                                страница

Введение                                                                   3

Часть I: теория        

        Звук                                                                   4

        Ультразвук                                                           6        

        Физические свойства и особенности                   7

        Генерация ультразвука                                           9

        Конструкция учебного излучателя                          11

Часть 2: исследования

        Технология изготовления излучателя                   12                                

проверка излучателя в работе                           13

опыт 1: Ультразвуковой ветер                           14

опыт 2: распыление капли воды

 с помощью ультразвука                   14

        опыт 3: Интерференция ультразвуковых волн

на бумаге       15

Часть 3: заключение                                                

        Заключение                                                    16

Итоги работы                                                            17

Список литературы                                                    18

Введение

Я выбрал магнитострикционный излучатель ультразвука как тему своего исследования из-за собственного интереса. Ведь в наше время много где применяется ультразвук: медицина (диагностическое и терапевтическое применение), резка металла, приготовление смесей, а способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях. Также ультразвук используют для механической отчистки и ультразвуковой сварке.

 Целью моего исследования является изучение  работы магнитострикционныé излучатель ультразвука, прежде сделав его простую копию

Задачи: провести опыты с магнитострикционным излучателем ультразвука

I часть

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде.

Волна — изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. Скорость распространения колебаний зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука.Обычно человек слышит колебания, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц[2]. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, —ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.

Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них.

Интерференция – усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Эффект возникновения биений используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковые волны, при их падении на границу раздела с другой средой, могут отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения – преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Следует упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука – изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как реверберация (от лат. «reverbero» – «отбрасываю»). Эффект реверберации широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств.

Способность огибать препятствия – свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует .

Еще один эффект, связанный с волновым движением – эффект резонанса. Звуковая волна, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. В случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора и сказывается на длительности звучания .

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2 ×104 Гц (15—20 кГц) и до 109 Гц (1 ГГц), область частот Ультразвука от 109  до 1012-13 Гц  принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5×104—105 Гц) — УНЧ, ультразвук средних частот (105 — 107 Гц) — УСЧ и область высоких частот ультразвука (107—109 Гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

  Физические свойства и особенности распространения ультразвука. 

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4×10-3—3,4×10-5 см, в воде 1,5×10-2—1,5 ×10-4 см и в стали 5×10-2— 5×10-4 см. ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием (см. Поглощение звука). Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники у ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость Ультразвук с и коэффициент поглощения a, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости с  и особенно a от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

Интересный факт:

Ультразвуковой капиллярный эффект состоит в том, что под действием ультразвуковых колебаний увеличивается высота подъема жидкостей в капиллярах и ускоряется сам процесс проникновения жидкостей в капилляры. Время пропитки сокращается в 3 - 4 раза и более. Различные авторы обращают внимание на роль волн, распространяющихся в теле капилляра, изменение вязкости и смачиваемости под действием ультразвуковых колебаний, а также на кавитационные явления на границе жидкости с твердым телом. Интенсификация процесса пропитки с помощью ультразвуковых колебаний повышает чувствительность и надежность капиллярных методов контроля. 

Генерация ультразвука.

 Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы — механические, в которых источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической.

Основной метод излучения ультразвука — преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели ультразвук, использующие магнитострикционный эффект (см. Магнитострикция) в никеле и в ряде специальных сплавов, также в ферритах.

Один из таких методов – Магнитострикционный излучатель ультразвука. Его то я и предлогаю рассмотреть.

Сейчас ультразвук очень широко используется в различных сферах жизни людей, но при этом его не слышно человеку. Поэтому я задался целью изучить хотя бы один его источник. Мой выбор пал на Магнитострикционный излучатель ультразвука.

Принцип действия магнитострикционного излучателя ультразвука.

В основе действия магнитострикционного излучателя ультразвука лежит прямой магнитострикционный эффект. Его сущность заключается в том, что ферромагнитный стержень, помещенный в магнитное поле, деформируясь, изменяет свои размеры. Если по катушке, вдоль оси которой расположен ферромагнитный стержень, пропускать переменный ток достаточно высокой частоты, то стержень будет периодически изменять свои размеры, и его колеблющиеся концы смогут возбудить в окружающей среде упругую звуковую или ультразвуковую волну.

Магнитострикционный эффект обладает свойством четности, то есть он не зависит от направления магнитного поля. Поэтому если поместить переменное магнитное поле, например на ферритовый стержень, то он будет укорачиваться всякий раз, когда, магнитное поле независимо от его направления станет отличным от нуля. Значит стержень будет совершать колебания частотой, в 2 раза превышающей частоту магнитного поля. Чтобы частота колебаний стержня совпала с частотой переменного тока, идужещего от генератора, ферромагнитный стержень подмагничивают, располагая вблизи него источники постоянного поля, например постоянный магнит. В этом случае магнитное поле из переменного превращается в пульсирующее так, что периодически меняется только его величина, а не направление. В результате стержень изменяет свои размеры синфазно с изменениями поля. Не трудно сообразить, что при оптимальном подмагничивании не только частота колебаний стержня совпадает с частотой пульсирующего поля, но и амплитуда колебаний возрастает практически вдвое.

Конструкция учебного излучателя

Конструкция учебного магнитострикционного излучателя ультразвука представлена на рисунке. 

В качестве вибратора(4) излучателя используется круглый ферритовый стержень марки М400НН диаметром 8 мм и длиной 100-160 мм. ПО его середине расположено резиновое колечко(5), которое мягко крепит вибратор в каркасе(2) обмотке возбуждения(3). Подмагничивающие ферритовый вибратор кольцевые керамические магниты(6)  надеты на выступающую часть каркаса обмотки возбуждения так, чтобы нерабочий торец вибратора находился в одной плоскости с поверхностью ближайшего к нему магнита.

Кракас обмотки возбуждения можно выточить на токарном станке из походящего материала или склеить из нескольких слоев бумаги. Обмотка возбуждения может содержать 2 слоя медного в лаковой изоляции провода диаметром 1 мм, намотанных виток к витку на длину, равную примерно половине длины вибратора. Выводы обмотки возбуждения нужно выполнить из многожильных проводников  в полихлорвиниловой изоляции длиной 30-50 см, снабженных наконечниками для зажима под клеммы или штекерами для включения в гнезда. Обмотку возбуждения следует покрыть слоем лакоткани, высоковольтной изоленты или несколькими слоями бумаги.

Для подмагничивания вибратора можно использовать 2-3 кольцевых керамических магнита диаметром 35 мм и толщиной 7 мм или 1-2 больших керамических магнита диаметром 50 мм и толщиной 8 мм.

Технология изготовления излучателя.

Понадобиться: 2 листа А4 плотностью 80г/м2 , ножницы, оправка(стержень диаметром 10 мм), клей пва, многожильный гибкий провод длиной 7 м, сечением 0,2 мм2 в полихлорвиниловой изоляции диаметром 1,3 мм, 3 кольцевых керамических магнита, ферритовый стержень диаметром 8мм, резиновое колечко, карандаш, линейка, наждачная бумага, шило, нитрокраска.

Изготовление излучателя начнем с каркаса обмотки возбуждения. Длина каркаса должна быть равна сумме половины длины ферритового стержня и толщины набора кольцевых магнитов. Каркас склеим из бумаги. Вначале из подготовленного листа вырежем прямоугольник, одна сторона которого равна вычисленной длине каркаса, другая – длинной стороне листа. Из бумажного прямоугольника изготавливаем трубку, оборачивая оправку бумагой и тщательно обклеивая ее. Следим за тем, чтобы трубка не приклеилась к оправке и ее потом можно будет снять. По ширине подготовленного набора магнитов вырежем из бумаги полоску и, оборачивая ее вокруг трубки, .приклеим полоску возле одного из конов трубки. Эту опирацию повторяем до тех пор, пока на трубке не получится цилиндрическое утолщение, внешний диаметр которого равен наименьшему внутреннему диаметру кольцевых керамических магнитов. Таким же образом из бумажных полосок шириной 4-6мм сделаем щёчки  каркаса  высотой 4-5мм.

Готовый каркас просушим в течении суток, снимем с оправки и в щечке, возле которой будут находиться магниты шилом проделаем 2 отверстия 1,5 мм для проводников.

Конец многожильного провода проденем в одно из отверстий нижней щёчки так, чтобы снаружи находилось где-то 30 см провода. Плотно виток к витку наматываем 2 слоя обмотки возбуждеия. Оставшийся конец провода продеваем через другое отверстие. Ферритовый стержень с помощью резонового колечка  закрепляем так, чтобы середина ферритового стержня, середина колечка и верхний торец каркаса совпали.

Проверка излучателя в работе

Для проверки работоспособности расположим магнитострикционный излучатель вертикально на столе, подключим его обмотку возбуждения к выходу  выпускаемого современной промышленностью функционального генератора типа ФГ100. Включим генератор, установим режим синусоидального сигнала, переидем в частотный диапазон 2-20кГц и увеличим амплитуду переменного напряжения от 0 до 5 В. Излучатель начнет издавать слабый звук.

Поместим на верхний торец вибратора лезвие безопасной бритвы или небольшую пластинку жести и плавно изменим частоту генератора. При некотором значении частоты лезвие начнет совершать интенсивные колебания, и будет слышан громкий дребезжащий звук.

Это означает, что  достигнут электромехонический диссонанс: частота переменного магнитного поля, создаваемого проходящим по обмотке возбуждения переменным током, совпала с частотой собственных колебаний вибратора. При этом амплитуда колебаний вибратора резко выросла, лежащее на торце вибратора лезвие перестало успевать за его колебаниями. Изделие работает: Вибратор колеблется и является источником упругой волны в окружающей среде

Опыт 1: Ультразвуковой ветер

  При распространении ультразвуковой волны частицы среды колеблются около своих положений равновесия (если не учитывать беспорядочного теплового движения) и не перемещаются вместе с волной Это свойство является одним из признаков волнового движения, при котором происходит перенос энергии а не вещества. 
  Однако при включении мощного излучателя ультразвука частицы среды наряду с колебательным совершают и поступательное движение: в среде возникает течение, направленное от излучателя и имеющее скорость, много меньшую скорости звука. Такое движение частиц среды получило название ультразвукового ветра.   На расстоянии около 5 мм от пламени свечи расположим торец вибратора магнитострикционного излучателя. Включим ультразвуковой генератор и настроем его в резонанс с вибратором. При этом вы заметите отклонение пламени, обусловленное идущим от вибратора слабым потоком воздуха. Пламя свечи послужило здесь индикатором ультразвукового ветра. Ультразвуковой ветер можно наблюдать и в жидкости.

 1 - торец ферритового стержня 
  2 - свеча

Опыт 2: распыление капли воды ультразвуком на ферромагнитном стержне

1. Подключим магнитострикционный излучатель ультразвука к генератору переменного тока
2. Нальем немного воды на торец вибратора
3. Настроем частоту излучателя на резонансную

Теперь мы можем увидеть облако пара вокруг ферритового стержня, капля распылилась

 Опыт 3: Интерференция ультразвуковых волн на бумаге

  На мягкую подкладку, состоящую из нескольких слоев тонкой бумаги, поместите плотный бумажный лист белого цвета. На лист через марлевое сито тонким слоем равномерно насыпьте мелкий песок. Расположив излучатель под углом примерно 45° к горизонту, прикоснитесь концом его вибратора к центру листа бумаги и настройте ультразвуковой генератор в резонанс с вибратором. 
  При этом песок на листе бумаги быстро перераспределится так, что станут видны круговые «волны» с центром в точке прикосновения вибратора. Для получения хорошей картины волн необходимо экспериментально подобрать подкладку и лист бумаги (его толщину и сорт). В опыте непосредственно видно, что ферритовый вибратор излучателя является источником ультразвуковой волны, распространяющейся по поверхности и внутри бумажного листа. Песок по поверхности бумаги перераспределяется так, что обозначает линии равных фаз ультразвуковой волны. 
  Попробуйте установить некоторые физические свойства ультразвуковой волны на бумаге. Передвигайте излучатель, не отрывая торца его вибратора от бумажного листа. Вы заметите, как вместе с источником перемещается по бумаге и система круговых волн. 
  Пододвиньте вибратор ближе к краю листа. При этом песок на бумаге обозначит еще одну систему волн, отраженных от края. 
  Прорежьте в листе бумаги небольшое отверстие и расположите вблизи него вибратор излучателя. Вы увидите, что ультразвуковая волна частично отражается от препятствия и огибает его. Отсюда следует существование дифракции ультразвука.

Часть 3: Заключение

Выше приведенные примеры опытов доказывают взаимодействие ультразвуковых волн с окружающей средой, будь то газ(опыт 1: газ-воздух), жидкость(опыт 2: жидкость - вода) или твердое тело(в данных опытах – ферритовый стержень).Отсюда можно сделать вывод что ультразвук проходит через всё и действует на каждое смещением частиц.

Итоги работы

Итак, что я сделал:

1. Я собрал магнитострикционный излучатель ультразвука своими руками
2. Проверил собранный излучатель, подсоединив его к генератору переменного тока типа ФГ-100.
3. Поставил с ним 3 опыта:

• Нахождение резонансной частоты
• Распыление капли воды ультразвуком на ферромагнитном стержне
• “Ультразвуковой ветер”

4. Выделил вывод.

Использованная литература

Книги:

1. “Ультразвук”  Д. М. АЛЕКСЕЕВ, И.Б.НАЙДЕНОВА.
2.  Энциклопедия “Радиотехника”
3. “Основы радиотехники.” В.А.Котельников, А.М.Николаев. 

Журналы:

Сайты

1. http://www.conservatory.uz/
2. http://ru.wikipedia.org/wiki
3. http://forum.ixbt.com
4. http://forrestradio.narod.ru