Властивості та методи одержання ультразвуку
Ультразвуковими (УЗ) коливаннями називаються механічні коливання і хвилі з частотою від 20 кГц до 20 МГц. Швидкості поширення УЗ і звуку в повітрі приблизно однакові (біля 350 м/с), але завдяки малій довжині хвилі УЗ від плоского джерела поширюється вузьким направленим пучком (УЗ-промінь), при потребі легко фокусується. Інтенсивність УЗ-хвилі може досягати десятків Вт/см2, а при фокусуванні ─ тисячі Вт/см2. В медицині використовують УЗ інтенсивністю до 3 Вт/см2, в біологічних дослідженнях – до 1000 Вт/см2. Відбивається на границі розділу середовищ, при частоті порядку сотень кілогерц сильно поглинається в повітрі, тому між джерелом УЗ і об’єктом опромінення розміщують яке-небудь рідке середовище. Швидкість поширення УЗ у воді – 1500 м/с.
Джерелами УЗ можуть бути як природні явища, так і штучні установки – генератори УЗ. Для генерування УЗ-коливань використовують УЗ-випромінювачі, в основному електромеханічні, які працюють на явищі зворотного п’єзоелектричного ефекту. Він полягає у механічній деформації тіла під дією електричного поля. Основною частиною випромінювача є пластина або стержень, виготовлені з п’єзоелектрика (кварц, сегнетова сіль, турмалін, фосфорнокислий амоній, кераміка на основі титанату барію тощо). На поверхню пластини у виді провідних шарів нанесено електроди. При прикладенні до них змінної електричної напруги від генератора виникає поперемінне розширення і стиснення пластинки між цими гранями, а якщо одна грань закріплена, то від протилежної грані відходять УЗ хвилі відповідної частоти. Найбільший ефект досягається при виконанні умов резонансу: наприклад, для кварцової пластини товщиною 1 мм резонанс виникає при частоті 2,87 МГц.
Приймачі УЗ працюють на прямому п’єзоелектричному ефекті. Під дією механічної хвилі п’єзокристал деформується, що викликає генерацію змінного електричного поля між його поверхнями, яке можна виміряти.
Для генерації низькочастотного УЗ використовують явище магнітострикції. Воно полягає у зміні довжини феромагнітного осердя під дією змінного магнітного поля. Коливання розмірів стержня, підсилені умовою резонансу, викликають виникнення поздовжньої УЗ хвилі.