Гіперзвук та його властивості

Міністерство освіти і науки України

Педагогічний ліцей

Повідомлення на тему

Гіперзвук та його властивості

Виконала

Учениця 11-б класу

Вербова Яніна

Перевірила

Сальник І.В.

Кіровоград 2010

Вступ

Світ, що нас оточує, з повним правом можна назвати світом звуків. Звучать навколо нас голоси людей та музика, шум вітру і щебетання птахів, рокіт моторів і шелест листя… з точки зору фізики звук – це механічні коливання, які поширюються в пружному середовищі: повітрі, воді, твердому тілі і т.д. Коливна струна призводить до руху оточуюче її повітря, то ущільнюючи його, то розріджуючи. Шари ущільненого і розрідженого повітря розбігаються один за одним у всі сторони і створюють звукову хвилю. Досягши нашого вуха, механічні коливання передаються барабанними перетинками – ми чуємо струну, яка звучить.

Здатність людини сприймати пружні коливання, чути їх відобразились в назві науки про звук – акустиці, яка вивчала спочатку саме чутні людиною звукові хвилі з частотою від 16 до 20 Гц. Низьким звукам (бій барабану) відповідають низькі частоти від 16 до 200 Гц, високим (свисток) – великі частоти від 5000 Гц і вище. Зараз акустика як розділ фізики розглядає більш широкий спектр пружних коливань – від самих низьких частот до високих, аж до 10¹² -10¹³ Гц. Не чутні людську вуху хвилі з частотами менше 16 Гц називають інфразвуком, від 20 кГц до 10⁹ Гц – ультразвуком, коливання з частотами вище 10⁹ – гіперзвуком. Гіперзвук - пружні хвилі з частотами від 109 до 1012-1018 Гц. За фізичною природою гіперзвук нічим не відрізняється від звукових та УЗ-хвиль. Завдяки більш високим частотам і, отже, меншим, ніж в області УЗ, довжинам хвиль значно більш істотними стають взаємодії гіперзвуку з квазічастинками в середовищі - з електронами провідності, тепловими фононами, магнонами та ін. Гіперзвук також часто представляють як потік квазічастинок - фононів.

Поширення в природі

Область частот гіперзвуку відповідає частотам електрично-магнітних коливань дециметрового, сантиметрового і міліметрового діапазонів (т. зв. надвисоким частотам). Частота 109 Гц в повітрі при нормальному атмосферному тиску і кімнатній температурі повинна відповідати довжині хвилі гіперзвуку 3,4 * 10-5 см, тобто одного порядку з довжиною вільного пробігу молекул в повітрі при цих умовах. Однак пружні хвилі можуть поширюватися в середовищі тільки за умови, що їх довжина хвилі помітно більша від довжини вільного пробігу частинок у газах або більша за міжатомні відстані у рідинах та твердих тілах. Тому в газах (зокрема, в повітрі) при нормальному атмосферному тиску гіперзвукові хвилі поширюватися не можуть. У рідинах загасання гіперзвуку дуже велике і дальність розповсюдження мала. Порівняно добре гіперзвук поширюється у твердих тілах - монокристалах, особливо при низьких температуpax. Але навіть в монокристалі кварцу, що відрізняється малим загасанням у ньому пружних хвиль, поздовжня гіперзвукова хвиля з частотою 1,5 * 109 Гц, яка поширюється вздовж осі кристала при кімнатній температурі, послаблюється за амплітудою в 2 рази, пройшовши відстань усього в 1 см. У монокристалах сапфіру, ніобіту літію, загасання гіперзвуку менше, ніж у кварці; наприклад, в ніобіті літію Г. послаблюється в 2 рази на відстані 15 см.

Природа гіперзвуку

Існує гіперзвук теплового походження та штучно порушуваний. Теплові коливання атомів або іонів, що складають кристалічні грати, можна розглядати як сукупність поздовжніх і поперечних плоских пружних хвиль самих частот, що поширюються по всіх напрямках. Ці хвилі називають дебаєвськими хвилями або тепловими фононами; в області частот 109-1013 Гц їх розглядають як гіперзвук теплового походження. Гіперзвукові теплові фонони в кристалі мають широкий спектр частот, тоді як штучно одержуваний гіперзвук може мати високу ступінь монохроматичності. У рідинах флуктуації щільності, що викликаються тепловим рухом молекул, також зручно представити як результат накладання плоских пружних хвиль, що поширюються у всіх напрямках. Тепловий рух безперервно "генерує" гіперзвук як в твердих тілах, так і в рідинах.

До того як стало можливим отримувати гіперзвук штучним шляхом, вивчення гіперзвуку в рідинах і твердих тілах проводилося головним чином оптичним методом (розсіювання світла на гіперзвук теплового походження). Було виявлено, що розсіювання світла в оптично прозорому середовищі відбувається з утворенням дек. спектр. ліній, зміщених щодо частоти падаючого світла на частоту гіперзвуку (теорія Мандельштама-Брілюєна розсіювання). Дослідження гіперзвуку у ряді рідин привели до відкриття в них залежності швидкості розповсюдження гіперзвуку від частоти в деяких областях частот і аномально великої поглинання гіперзвуку в цих же областях. Вивчення гіперзвуку рентгенівськими методами показало, що теплові коливання атомів у кристалі призводять до дифузного розсіювання рентгенівських променів, до розмазування на рентгенограмі плям, зумовлених взаємодією рентгенівських променів з атомами, і до появи фону. При дифузному розсіюванні можна досліджувати спектр гіперзвукових хвиль і визначати модулі пружності твердих тіл.

Шкала гіперзвуку

Сучасні методи випромінювання і прийому гіперзвуку так само як і УЗ, ґрунтуються головним чином на використанні явищ п'єзоелектрики і магнітострикції. Для порушення гіперзвуку можна використовувати резонансні п