Зная скорость распространения звука в феррите V ~ 5,32∙(105)(см/с) и длину I, можно рассчитать все собственные частоты стержня Fn(Гц) = n/Т =n∙V/L =n∙V/(2∙I)/ Fn(кГц) = (10-3)∙n∙V/(2∙I).
Пример расчета:
Если I = 10 см, то Fn(кГц) = (10-3)∙n∙5,32∙(105)/(2∙I) = n∙532/(9∙I) = n∙266/1 = n∙266/10 = n∙26,6(кГц) при n = 1, 2, 3…., т. е. резонансные частоты кратны 26,6 кГц.
Мы будем приводить стержень в состояние резонанса на основной собственной частоте (n = 1).
Имея набор ферритовых стержней разной длины с определенной резонансной частотой, мы легко можем проградуировать ультразвуковой генератор, делая пометки на выдвижном сердечнике трансформатора задающего генератора.
Опыты с ультразвуковым генератором
Начинать работу с прибором нужно с простейших опытов.
Несколько таких опытов описано ниже.
Опыт 1: Обнаружение колебаний излучателя
При совпадении частоты генератора с основной собственной частотой вибратора в последнем устанавливается стоячая ультразвуковая волна и на всей длине вибратора укладывается половина длины волны звука в феррите. Стоячая волна в свободном стержне образуется благодаря интерференции бегущих волн, отраженных от торцов стержня. Коэффициент отражения звуковой волны на границе твердое вещество — газ равно практически единице.
1 — Пальцами возьмитесь за конец вибратора, возбужденного на основной частоте. Вы почувствуете, что вибратор стал, «скользким». Сожмите пальцы (или прижмите один из них к торцу вибратора) и у вас возникнет ощущение легкого ожога. Выключите ультразвук. Все эти ощущения немедленно исчезают. Перемещайте пальцы к середине вибратора. Тогда ощущение «скользкости» вибратора уменьшится, а когда вы дойдете до его середины, оно вообще пропадет. Это говорит о том, что амплитуда колебаний вибратора постепенно уменьшается к его середине. Из опыта следует, что в середине вибратора действительно находится узел, а по краям — пучности смещений, т. е. в вибраторе устанавливается стоячая волна.
2 — Положите на торец вибратора лезвие безопасной бритвы — оно будет громко дребезжать.
3 — Капните каплю воды на торец ферритового вибратора. Настройте генератор на резонансную частоту ферритового вибратора. Капля мгновенно распылится.
Очевидно, наблюдаемые явления объясняются просто тем, что конец вибратора совершает колебания с большой частотой и заметной амплитудой.
Опыт 2: Подскакивающий шарик
Магнитострикционный излучатель с ферритовым вибратором поставьте вертикально на стол и подключите его обмотку возбуждения к выходу ультразвукового генератора. Над вибратором в лапке штатива закрепите стеклянную трубку внутренним диаметром 5–6 мм и длиной примерно 30 см, нижний конец трубки должен находиться на расстоянии 0,5–1 мм от торца вибратора. В трубку на вибратор поместите стальной шарик диаметром около 3 мм.
Включите генератор и выдвижением надстроечного сердечника из каркаса высокочастотного трансформатора постепенно повышайте частоту ультразвука. Как только частота генератора совпадет с основной собственной частотой вибратора, шарик на торце начнет подпрыгивать.
Это свидетельствует о значительном увеличении амплитуды колебаний вибратора при резонансе. Высота, на которую поднимется шарик после нескольких ударов его о торец вибратора, нередко превышает 30 см, так что шарик — если вы окажетесь невнимательны — может просто выскочить из трубки.
Магнитострикционный излучатель ультразвука работает только на резонансных частотах, поэтому имеет смысл немного потренироваться, чтобы в дальнейшем уверенно настраивать ультразвуковой генератор в резонанс с вибратором.
Только что поставленный вами опыт вполне аналогичен (разве лишь более эффектен) опыту с дребезжащим лезвием на вибраторе.
1 — штатив; 2 — стеклянная трубка; 3 — стальной шарик; 4 — излучатель
Опыт 3: Интерференция ультразвуковых волн на бумаге