Введение по теме 72. Определение скорости ультразвука оптическими методами

УЛЬТРАЗВУК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПАРАМЕТРОВ. Ультразвук - это упругие волны с частотами выше условной границы восприятия человеческого уха (от 15 кГц). Звуковые и ультразвуковые колебания частоты n, возбуждаемые в жидкости или газе, порождают продольные волны длины L (сжатия и разряжения), распространяющиеся в среде со скоростью U в соответствии с формулой

Сжатия и расширения, вызываемые звуковой волной в элементе объема среды, можно считать адиабатическим, поскольку выделяющееся при сжатии (или поглощаемое при расширении) тепло не успевает диссипировать за время одного колебания. Скорость звука зависит от плотности r и адиабатической сжимаемости среды b_ад:

(72.2)

Таким образом, измерение скорости ультразвука дает возможность определить адиабатическую сжимаемость, недоступную для измерений прямыми методами

.

(72.3)

Методы, основанные на измерении уменьшения объема сжимаемой жидкости (газа) позволяют вычислить изотермическую сжимаемость b _из

.

(72.4)

где T - абсолютная температура, a - коэффициент теплового расширения данной жидкости, r - ее плотность, C_P - удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении. В таблице приведены численные значения r, a и C_P при различных температурах для воды.

Связь между величинами b _из, b _ад , C_P, C_V, и g определяется соотношением

где C_V - удельная теплоемкость вещества при постоянном объеме.

Эта формула позволяет вычислить отношение теплоемкостей вещества при постоянном давлении и постоянном объеме, что особенно важно для исследования жидкостей, поскольку их теплоемкость при постоянном объеме C_V не поддается прямому измерению.

Таким образом, измерив скорость ультразвука в жидкости U, и зная значения C_P, a и r, можно вычислить b _из, b _ад , C_V, и g.

ВОЗБУЖДЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН. В предлагаемых работах по определению скорости ультразвука в воде возбуждение ультразвуковых волн осуществляется с использованием обратного пьезоэлектрического эффекта. Суть прямого пьезоэффекта заключается в том, что во многих кристаллах (пьезокристаллы) при их растяжении или сжатии в определенных направлениях возникает электрическая поляризация. В результате на поверхностях кристаллов появляются электрические заряды обоих знаков. Если к поверхностям такого кристалла подвести электрическое поле, наблюдается обратный пьезоэффект: кристалл сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности приложенного поля.

Если пластинку пьезокварца, отшлифованную перпендикулярно его оси, поместить между обкладками конденсатора колебательного контура лампового генератора, в ней возникнут вынужденные упругие колебания. Как всякая колебательная система, пластинка пьезокварца обладает собственной частотой колебаний. Например, при толщине пластинки 1 мм основная частота ее собственных колебаний равна примерно 2000 кГц, то есть находится в ультразвуковой области. При совпадении частоты вынужденных колебаний (частоты электрических колебаний генератора) с собственной частотой механических колебаний пьезопластинки наблюдается явление резонанса: амплитуда колебаний пластинки по толщине резко возрастает.

Колеблющийся пьезокварц, приведенный в соприкосновение с жидкостью, будет передавать ей колебания, и в жидкости будут распространяться упругие волны той же частоты.