Ultragarso greičio matavimas skysčiuose

Atliko:..................................................... Tikrino:.................................................. ULTRAGARSO GREIČIO MATAVIMAS SKYSČIUOSE Darbo tikslas : susipažinti su ultragarso savybėmis, jo gavimo būdais ir praktiniu panaudojimu, matuojant garso greitį. Teorinė dalis : Garso šaltiniai yra įvairūs virpantieji kūnai, kurie sukelia juos supančias aplinkos dalelių svyravimą ( sutankėjus ir paretėjus). Šie sutankėjimai ir praretėjimai dėl aplinkos tamplumo sklinda nuo garso šaltinio, sudarydami išilgines garso bangas. Svyravimų sklidimo greitis priklauso nuo aplinkos savybių ( molekulinės struktūros). Todel iš garso greičio tyrimų galima spręsti apie kai kurias aplinkos molekulines savybes. Žmogaus ausis girdi garsus, kurių svyravimų dažnis yra apytiksliai nuo 20 Hz iki 20000 Hz. Garsai, kurių svyravimų dažnis υ20000 Hz – ultragarsais. Ultragarso dažnių diapozonas skirstomas i 3 sritis: a) žemojo dažnio 20 – 100 kHz, b) vidutinio dažnio 100 kHz – 10 MHz c) aukštojo dažnio 10 – 1000 MHz. O ultragarsas, kurio dažnis didesnis kaip 1000 Mhz, vadinamas hipergarsu.Kiekvienas šių diapozonu pasižymi specifinėmis savybėmis, jų generavimu, priėmimu, sklidimu ir panaudojimu. Bendrai ultragarsas savo savybėmis yra panašus į girdimą garsą. Tačiau dėl didelio dažnio ir trumpo bangos ilgio, ultragarso sklidimas daug kuo skiriasi nuo garso bangų sklidimo – jų sklidimui galima taikyti geometrinės akustikos dėsnius, t.y. laikyti jų sklidimą tiesiaeigiu. Ultragarsui kurti dažniausiai vartojami metodai, pagrįsti magnetastrikeiniu ir atvirkštiniu pjesoefektiniu efektais. Magnetastrikcija – tai kūnų tūrio ir matmenų pakitimai juos įmagnetinant. Pvz nikelio strypas noleinordo magnetiniame laike trumpėja, geležies ilgėja. Magnetastrikacinį generatorių sudaro feromagnetinis strypas, kuriuo teka aukšto dažnio kintamoji srovė. Jei strypo savųjų virpesių dažnis sutampa su kintamosios srovės dažniu, tai strype susidaro rezonanciniai virpesiai, ir tuomet išspinduliuojamos ultragarso bangos, paprastai 20+60 kHz. Aukštesniems dažniams kurti naudojami pjesoelektriniai generatoriai, kuriuose pritaikomas atvirkštinis pjezoefektas. Tiesioginis pjezoelektrinis efektas – tai reiškinys, kuomet slėgiant arba tempiant tam tikru būdu išpjautą iš nonokristalo plokštelę, jos paviršiaus plokštumose atsiranda priešingų ženklų elektros krūviai. Krūvio ženklas pakinta, kai kristalo spaudimą pakeičiame tempimu. Pjezoelektrinis efektas susidaro kvarce, negnetinėje druskoje, bario titinate ir kituose kristaluose.Praktikoje gauti ultragarsai dažniausiai naudojami kvarco [ SiO2] kristalai, nes jie yra pastovūs ir patvarūs tiek cheminiu, tiek ir fiziniu požiūriu. Kvarco nenokristalo bendrą vaizdą matome 1 pav: (1 pav) (2 pav) Dažniausiai kvarcas kristalizuojasi trigonalinės sistemos kristalais su keturiomis būdingomis ašimis, iš kurių trys ( x1,x2,x3) vadinamos polinėmis ir viena ašis Z- nepoline optine ašimi. Iš tokio kristalo išpjovus stačiakampę plokštelę, kurios dvi sienelės būtų statmenos vienai poliniai ašiai, pvz x1 (2pav) ir mechaniškai jas paveikus ant polinei ašiai statmenų sienelių atsiranda priešingų ženklų pjegaelektriniai krūviai. Įnešus tokią kvarco plokštelę į elektrinį lauką, kurio jėgų linijos lygiagrečios ašiai x, ji deformuojasi, kvarco plokštelė pastorėja, kai ašies x kryptis sutampa su elektrinio lauko kryptimi, ir suplonėja, kai ašies x kryptis priešinga elektrinio lauko krypčiai. Šis reiškinys vad. atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu. Jei elektrinio lauko stiprumas ir kryptis kinta dažniu, lygiu kvarco plokštelės savajam mechaninių virpesių dažniui, tai plokštelė virpa dažniausia amplitude (rezonanso reiškinys) ir šiuos virpėjimus perduoda gaubiančiai aplinkai, kurioje ima sklisti bangos. Taip gaunamos įvairios ultragarso bangos. Ultragarsui registruoti ir priimti šiame darbe naudojamas tioesioginis pjezoelektrinis efektas. Ultragarso bangos, pasiekurios kvarco plokštelę, ją deformuoja savuoju dažniu ir paviršiuje susidaro kintamojo didumo elektros krūviai, kurių kitimą galima užregistruoti elektronine schema. (3pav) Auštojo dažnio ultragarso bangas stipriai alzokuoja dujos (oras), o skysčiuose ir kietuose kūnuose jas gali nusklesti didelius nuotolius. Šios ultragarso savybės yra pritaikomos ultragarsiniuose hidrolokatoriuose ( povadeniniams laivams sekti, jūrų gilumui nustatyti, žuvų telkiniams ieškoti) ir defektoskapuose ( aptikti įvairius defektus stambių detalių viduje) Daug ultragarsinių įrengimų naudojama technikoje (kietų ir trapių medžiagų apdulimui, akmenio litavimui ) ir medicinoje (chirurgijoje). Ultragarsas sutinkamas ir gyvoje gamtoje. Šikšnosparniai sklendžia žemo dažnio ultragarso bangas impulsais ir po to įsiklauso i savo šaukimo aidą, kuris ateina nuo kliūties. Todėl jie gerai orentuojasi net nakties metu ir neužkliūna ant kliūčių. Ultragarsą skleidžia ir juo naudojasi uodai, delfinai, banginiai, naktinės plaštakės, žiogai, pelės, šunys. Atliekami tyrimai kovos su augalų kenkėjais. Stiprios ultragarso bangos naudojamos mikroorganizmams užmušti, t.y maisto produktams sterelizuoti. Nustatyta, kad parinkus tam tikrą dažnį ir dozę, augalų sėklos apspinduliuotas ultragarso bangomis, greičiau sudygo, augalai sparčiau brendo, kai kuriais atvejais derlius padidėjo. Tačiau su ultragarsu reikia elgtis atsargiai, nes tos pačios sėklos paveiktos didesne ultragarso doze, žuvo. Darbo metodika ir aparatūra: Prie kvarco plokštelės K ir elektrodų iš aukštojo dažnio generatoriaus (ADG) prijungta rezonancinio dažnio žadinamoji įtampa (4pav). Ultragarso bangos susidaro skystyje, su kuriuo ribojasi plokštelė K. Išmatavus bangos ilgį (λ) ir žinant svyravimų dažnį (υ) galima apskaičiuoti ultragarso sklidimo greiti: V= λ υ Bangos ilgis matuojamas ultragarsiniu interforametru I , kurį sudaro kvarco plokštelė K ir reflektorius R; plokštelė įtaisyta indo dugne tarp dviejų elektrodu. Į inda Įpilamas skystis, kuiame norima išmatuoti ultragarso greitį kvarco plokštelės sukeltos ultragarso bangos atspindi nuo reflektoriaus ir interferuodamos (susidėdamos) su aukštyn sklindančiomis bangomis, sudaro skysčio stulpelyje stovinčias bangas. Mikrometriniu sraigtu M pastumiant reflektorių galima rasti tokias vietas, kai skysčio stulpelis tarp kvarco ir reflektoriaus resomuoja plokštelės K virpesiais. Šiuo atveju stovinčių bangu intensyvumas yra didžiausias – kvarco plokštelė perduoda skysčiui didžiausią energiją ir stovinčiųjų bangų pūpsniai ir mazgai tampa ypač ryškūs (4pav) Esant rezonansui, nuotolyje l tarp plokštelės K ir reflektoriaus R telpa ultragarso puslangių sveikas skaičius. l=n λ n=1, 2, 3... 2 Pastūmus reflektorių iš rezonanso vietos atstumu λ/Z, gaunama kita rezonanso padėtis ir t.t Taigi rezonanso atveju visada tarp K ir R telpa sveikas puslangių skaičius. Rezonansą atitinkančias reflektoriaus padėtis galima nustatyti iš kvarcą žadinančio elektirinio galingumo pakitimo – rezonanso atveju jis yra didžiausias. Šiame darbe rezonanso padėtys nustatomos mikroampermetru ( ) :esant rezonansui, srovė yra didžiausia. 5 pav. vaizduoja srovės I kitimą, iš lėto tolinant reflektorių nuo plokštelės K:srovės maksimumai periodiškai kartojasi, pastūmus reflektorių, pusę bangos ilgio, kadangi reflektoriaus padėčių nuotolis l tarp dvieju gretimų srovės maksimumų lygus λ/2, tai λ=2l. Tačiau tiksliasniam ultragarso bangos matavimui reflektoriaus pastumimas nuotoliu l, kuriame atskaitomas didesnis skaičiaus puslangių (srovės maksimumų), pvz:n . Tuomet ultragarso bangos ilgis: λ =2l/n Darbo eiga: Įjungiu AD generatorių ir rankenėle 3 (korektorius) nustatom, kad mikroampermetro rodyklė būtų apie skalės vidurį. Mikrometriniu sraigtu iš lėto perstumdami interferometro reflektorių įsitikinam, kad iš didžiausių mikroampermetro rodyklės nukrypimų (dešinėn) galima atskaityti srovės maksimumus.Jei , perstumiant reflektorių, rodyklė pasisuka nežymiai, tai schemos jautrumą padidinam sukdami rankenėlę 2 pagal laikrodžio rodyklę. Esant reflektoriui arčiausiai kvarco plokštelės K (25-27mm) mikrometriniu sraigtu tiksliai nustatom srovės maksimumą ir atskaitau reflektoriaus padėtį l1 (mm) miktometrinio sraigto skalėje.Lėtai sukdami mikrometrinį sraigtą, tolinu reflektorių nuo kvarco plokštelės ir žymiu reflektoriaus padėtis ir jas atitinkančius mikroampermetro rodyklės nuokrypius kas 0,1 mm . Rezultatus surašau į lentelę.Braižom srovės priklausomybės nuo reflektoriaus grafiką ir iš jo nustatome ultragarso bangos ilgį. Apskaičiuojame ultragarso greitį vandenyje, ultragarso virpesių dažnis υ=1Mhz=106hz. Matuojame atstumą tarp pradinio ir paskutinio maksimumo, jis lygus puslankių skaičiui l=n*λ/2. čia n- maksimumu skaičius, išskyrus pradinį. Suradę λ apskaičiuojame ultragarso greitį v. Duomenis surašom į lentelę. Rezultatai: I max I min l mm Matavimo rezultatai: Eil nr n l1(mm) l2(mm) l(mm) λ (mm) V(Hz) υ (m/s) V viel. 1 2 3

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!