III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

УЛЬТРАЗВУК, ЕГО СВОЙСТВА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Видяева А.Е.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


– Введение.

Двадцать первый век – век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены русским ученым – П.Н. Лебедевым в конце XIXвека, а затем ультразвуком занимались Ж.-Д. Колладон, Ж. и П. Кюри, Ф. Гальтон.

В современном мире ультразвук играет все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ.

Посещая больницу, я видела приборы, работа которых основывается на ультразвуке. Такие приборы позволяют обнаруживать различные однородности или неоднородности вещества в тканях человека, опухоли мозга и другие образования, патологические состояния мозга, дают возможность контролировать ритмичность работы сердца. Мне стало интересно, как же с помощью ультразвука работают эти установки, и вообще, что такое ультразвук. В школьном курсе физики про ультразвук и его свойства ничего не говорится, и я решила изучить ультразвуковые явления сама.

Цель работы: изучить ультразвук, экспериментально исследовать его свойства, изучить возможности применения ультразвука в технике.

Задачи:

  1. теоретически рассмотреть причины образования ультразвука;

  2. получить ультразвуковой фонтанчик;

  3. исследовать свойства ультразвуковых волн в воде;

  4. исследовать зависимость высоты фонтанчика отконцентрации растворенного вещества для разных растворов (вязкие и невязкие);

  5. изучить современные применения ультразвука в технике.

Гипотеза:ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике; при увеличении концентрации раствора (плотности жидкости) высота ультразвукового фонтанчика уменьшается.

Методы исследования:

Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.

II. – Теоретическая часть.

1. История возникновения ультразвука.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французские учёныеЖ.-Д. Колладон и Ш.-Ф. Штурм определили скорость звука в воде. Их эксперимент считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась учеными на расстоянии 10 миль. Также был слышен звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, была вычислена скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки, то есть переходить на ультразвук.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин ФрэнсисГальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Эта вибрация происходила с ультразвуковой частотой. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Явление электрострикции (обратный пьезоэлектрический эффект) обусловлено ориентацией и плотной упаковкой части молекул воды вокруг ионных групп аминокислот и сопровождается уменьшением теплоемкости и сжимаемости растворов биполярных ионов. Явление электрострикциизаключается в деформации данного тела в электрическом поле. Вследствие явления электрострикции внутри диэлектрика возникают механические силы. Хотя явления электрострикции и наблюдаются у многих диэлектриков, но у большинства кристаллов они слабо выражены. У некоторых кристаллов, например у сегнетовой соли и титаната бария, явление электрострикции протекает весьма интенсивно.

III. – Практическая часть.

  1. Создание ультразвуковых фонтанчиков.

Для получения ультразвука в работе использовались 2 разные ультразвуковые установки: 1) школьная ультразвуковая установка УД-1 и 2) Установка ультразвуковая демонстрационная УД-6.

Для получения фонтана взяли линзовый стакан и разместили сверху излучателя так, чтобы между дном стакана и пьезоэлементом не образовались воздушные пузырьки, сильно мешающие опытам. Для этого стакан ставили путем передвижения дном по крышке излучателя до попадания стакана в уступ излучателя. Установив линзовый стакан правильно, начали проводить наблюдения.Налили в линзовый стакан обычной питьевой воды.

Примерно через минуту после подачи генератору питания от сети наблюдали ультразвуковой фонтан (приложение 1, рис. 1), который настраивается ручкой подстройки частоты и регулировочными винтами. Вращая ручку подстройки частоты, получили фонтан такой высоты, что вода начала выбрызгиваться за край стакана (приложение 1, рис. 3, 12). Снова отверткой повернулиподстроечный конденсатор, уменьшили фонтан и продолжали регулировку винтом до нового максимума фонтана (максимальная высота фонтана 13-15см).Одновременно с возникновением фонтана появлялся водяной туман, являющийся результатом кавитационного явления (приложение 1, рис. 2).

Понижение фонтана с разбрызгиванием жидкости объясняется уходом плоскости уровня жидкости в сосуде от фокуса ультразвуковой линзы, вследствие понижения уровня. Для длительного наблюдения фонтана поместили последний в стеклянную трубку, по внутренней стенке которой фонтанирующая жидкость стекает, поэтому ее уровень в сосуде не изменяется. Для этого взяли трубку высотой 50 см с диаметром не более внутреннего диаметра линзового стакана (d=3см). При применении стеклянной трубки в линзовый стакан налили жидкость на 5 мм ниже верхнего края стакана для сохранения уровня жидкости, вследствие разбрызгивания ее на внутреннюю стенку трубки (приложение 1,рис. 4, 5, 6).

  1. Наблюдение свойств ультразвука.

Для того чтобы получить отражение волн, в кювету с глицерином и сверху налитой водой внесли плоскую металлическую пластину и расположили ее под углом 450 к поверхности воды. Включили генератор и добивались образования стоячих волн (приложение 1,рис. 10), которые получаются в результате отражения волн от внесенной пластинки и стенки кюветы. В этом опыте одновременно наблюдали и интерференцию волн (приложение 1,рис. 8, 9). Провели точно такой же опыт, но вниз налили крепкий раствор марганцовокислого калия с водой (приложение 1,рис. 11), затем глицерин и сверху воду. В этом опыте добились еще и преломления волн: при переходе ультразвуковых волн через границу раздела двух жидкостей наблюдали изменение длины стоячей волны, в глицерине ее волна получается больше, чем в воде и растворенном в ней марганце, что объясняется различием скорости распространения ультразвука в указанных жидкостях.Также получили явление коагуляции частиц: в кювету с чистой водой добавили крахмал, тщательно перемешали; после включения генератора увидели, как частицы собираются в узлах стоячих волн и после выключения генератора падают вниз, очищая воду.Таким образом, в данных опытах пронаблюдали отражение, преломление, интерференцию ультразвука и коагуляцию частиц.

  1. Наблюдение зависимости высоты фонтанчика от размера молекулы растворенного вещества и вида раствора.

Провелипроверку выдвинутой гипотезы о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости (концентрации раствора) и размера молекулы. Для этого плотность изменяли путем растворения в ней веществ с разным размером молекулы (крахмал, сахар, яичный белок).

Зависимость высоты фонтанчика от размера молекулы растворенной

частицы и концентрации раствора при постоянныхчастоте,

напряжении, объеме жидкости-25 мл

(с точностью до десятых)

Номер опыта

Растворитель

Растворенное вещество

Концентрация раствора

Наблюдения

1.

Вода

Крахмал

 

Вода + крахмал

А)

25 мл

1,5 г

5,6%

Первоначальная концентрация, вспучивания воды 2мм, появились кольца

Б)

25 мл

0,75 г

2,9%

Концентрация в 2 раза ниже, фонтан высотой 5 см, появился водяной туман

В)

25 мл

0,37 г

1,5%

Концентрация в 4 раза ниже, фонтан высотой 7-8 см, появился водяной туман

Г)

25 мл

0,18 г

0,7%

Концентрация в 8 раз ниже, фонтан высотой 12-13 см, появился водяной туман

2.

Вода

Сахар

 

Вода + сахар

А)

25 мл

2 г

7,4%

Первоначальная концентрация, фонтан высотой 13-14 см, появился водяной туман

Б)

25 мл

1 г

3,8%

Концентрация в 2 раза ниже, фонтан высотой 12-13 см, появился водяной туман

В)

25 мл

0,5 г

1,9%

Концентрация в 4 раза ниже, фонтан высотой 8-9 см, появился водяной туман

Г)

25 мл

0,2 г

0,8%

Концентрация в 8 раз ниже, фонтан высотой 6-7 см, появился водяной туман

3.

Вода

Яичный белок

 

Вода + яичный белок

А)

21 мл

4 мл

16,7%

Первоначальная концентрация, фонтан высотой 3-4 см, появился водяной туман

Б)

23 мл

2 мл

8,4%

Концентрация в 2 раза ниже, фонтан высотой 6-7 см, появился водяной туман

В)

24 мл

1 мл

4.2%

Концентрация в 4 раза ниже, фонтан высотой 8-9 см, появился водяной туман

Г)

24,5 мл

0,5 мл

2,1%

Концентрация в 8 раз ниже, фонтан высотой 10-11 см, появился водяной туман

Для того чтобы узнать, как высота фонтанчика зависит от плотности раствора и размера молекулы растворенного вещества, провели следующие опыты. При постоянных частоте, напряжении и объеме жидкости (25мл) облучала ультразвуком воду, с растворенными в ней крахмалом, сахаром, яичным белком. Для каждого вещества проводила 4 опыта, при каждом последующем уменьшала концентрацию веществ в 2 раза, т. е. во втором опыте концентрация ниже в 2 раза, в третьем опыте – ниже в 4 раза, в четвертом – ниже в 8 раз. Все наблюдения записала и оформила в таблицу, приведенную выше. Также в приложении приводится диаграмма, в которой наглядно видно, как уменьшается концентрация веществ (приложение 2, диаграмма 1).

Таким образом, получила зависимость высоты фонтанчика от концентрации веществ (приложение 2, диаграмма 2), причем в опытах с яичным белком и крахмалом высота фонтанчика увеличилась, а в опытах с сахаром она уменьшилась.

Это объясняется тем, что молекулы крахмала и белка – это биологические полимеры (ВМС – высокомолекулярные соединения). При растворении в воде они образуют коллоидные растворы (диаметр коллоидной частицы – 1-100 нм) с высокой вязкостью. Из-за наличия большого количества гидроксогрупп (-ОН), в молекулах таких веществ (между молекулами воды и крахмала, воды и белка) образуются водородные связи, что способствует более равномерному распределению частиц в растворе, что отрицательно отражается на передаче волн.

Сахар – димер (С12Н22О11)n, его растворение приводит к образованию истинного раствора (размеры частиц растворенного вещества сравнимы с размерами молекул растворителя), невязкого, с высокой проникающей способностью, такая структура раствора способствует более сильной передаче энергии волны.

Таким образом, для вязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика уменьшается, а для невязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика увеличивается.

IV. –Технические применения ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

  • получение информации о веществе;

  • воздействие на вещество;

  • обработка и передача сигналов.

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов, в них происходящих, используется в следующих исследованиях:

  • изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах;

  • изучение строения кристаллов и других твёрдых тел;

  • контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.;

  • определение концентрации растворов;

  • определение прочностных характеристик и состава материалов;

  • определение наличия примесей;

  • определение скорости течения жидкости и газа.

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте К. Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

  • гидролокация;

  • неразрушающий контроль и дефектоскопия;

  • медицинская диагностика;

  • определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях;

  • определения размеров изделий;

  • визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография.

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

V. – Заключение:

В процессе выполнения исследовательской работы я теоретически рассмотрела причины образования ультразвука; изучила современные применения ультразвука в технике:ультразвук позволяет узнать молекулярную структуру вещества,определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов,осуществлять слежение за процессами накопления опасных примесей; используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества,для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Экспериментально получила ультразвуковой фонтанчик: установила, что максимальная высота фонтанчика 13-15 см, (зависит от уровня воды в стакане, частоты ультразвука, концентрации раствора, вязкости раствора). Экспериментально исследовала свойства ультразвуковых волн в воде: определила, что свойства ультразвуковой волны такие же, как и у звуковой волны, но все процессы, благодаря высокой частоте ультразвука, происходят с большим проникновением в глубину вещества.

Проведённые эксперименты доказали, что ультразвуковой фонтанчик можно использовать для исследования свойств растворов, таких как концентрация, плотность, прозрачность, величина растворённых частиц. Данный метод исследования отличается быстротой и простотой выполнения, точностью исследования, возможностью легко сравнивать различные растворы. Подобные исследования актуальны при осуществлении экологических мониторингов. Например, при изучении состава хвостохранилища горных разработок в г. Оленегорске на различной глубине или для мониторинга воды на очистных сооружениях.

Таким образом, я подтвердила свою гипотезу, что ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике. Гипотеза о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости подтвердилась частично: при изменении концентрации растворенного вещества изменяется плотность и изменяется высота фонтанчика, но передача энергии ультразвуковой волны зависит в большей степени от вязкости раствора, поэтому для разных жидкостей (вязкие и невязкие) зависимость высоты фонтанчика от концентрации оказалась различной.

VI. – Библиографический список:

  1. Мясников Л.Л. Неслышимый звук. Ленинград «Судостроение», 1967. 140 с.

  1. Паспорт Установка ультразвуковая демонстрационная УД-76 3.836.000 ПС

  1. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М., «Знание», 1978. 160 с. (Наука и прогресс)

Приложение 1

1 рисунок

2 рисунок

3 рисунок

4 рисунок

5 рисунок

6 рисунок

7 рисунок

8 рисунок

9 рисунок

10 рисунок

11 рисунок

12 рисунок

Приложение 2

Диаграмма 1

Диаграмма 2