Ультразвуковая решетка

Ультразвуковая решетка — это разновидность дифракционной решетки. возникает в результате интерференции ультразвуковых волн в среде, которая изменяет физические свойства среды (и, следовательно, показатель преломления ) в виде сетки. Термин «акустическая решетка» — это более общий термин, который включает работу на слышимых частотах.

Ультразвуковая волна – это звуковая волна с частотой более 20 кГц. Человеческое ухо не может распознавать ультразвуковые волны, но животные, такие как летучие мыши и собаки, могут. Ультразвуковые волны могут создаваться за счет пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции .

Механизм

Когда ультразвуковые волны генерируются в жидкости в прямоугольном сосуде, волна может отражаться от стенок сосуда. Эти отраженные волны называются эхом. Прямая и отраженная волны накладываются, образуя стоячую волну . Плотность . жидкости в узле больше плотности в пучности Следовательно, жидкость действует как дифракционная решетка для параллельного луча света, проходящего через жидкость под прямым углом к ​​волне.

Сформированная таким образом дифракционная решетка аналогична обычной дифракционной решетке с линиями, разлинованными на стеклянной пластинке. Менее плотные пучности меньше преломляют свет и аналогичны пропускающим щелям обычной решетки. Более плотные узлы сильнее преломляют свет и аналогичны непрозрачной части обычной решетки.

Математика

Элемент решетки равен длине волны ультразвуковых волн и обозначается $d$. Если $\lambda$ длина волны света, проходящего через решетку и преломляющегося под углом $\theta$, то n-й порядок максимума определяется выражением:

$d\sin \theta =n\lambda$

или

$d=n\lambda /\sin \theta$

Если $v$ - скорость ультразвуковой волны в жидкости мы можем рассчитать скорость волны с помощью:

$v/\nu =n\lambda /\sin \theta$

или,

$v=\nu n\lambda /\sin \theta$

где $\nu$ это частота волны.

Метод Дебая – Сирса

Метод Дебая – Сирса определяет длину волны монохроматического света с помощью акустических или ультразвуковых решеток. Этот метод использует концепцию пьезоэлектричества для получения решетки.

Явление дифракции света на ультразвуковой решетке впервые наблюдали Дебай и Сирс в 1932 году. При распространении ультразвуковых волн в жидкости плотность меняется от слоя к слою из-за периодического изменения давления. Эта решетка может определять длину волны монохроматического света и скорость волн.

Если $\lambda \,\!$ - длина волны монохроматического источника света, а $\lambda _{c}\,\!$ – длина волны ультразвуковых волн, то, применяя принцип дифракции, получаем

$\lambda _{c}\sin \theta =n\lambda \,\!$

Где $\theta \,\!$ это угол дифракции.

Таким образом, мы можем вычислить либо $\lambda \,\!$ или $\lambda _{c}\,\!$ если известно другое. Нам не нужно беспокоиться об элементе решетки, поскольку сами узлы действуют как щели, следовательно, расстояние между двумя щелями равно длине волны ультразвуковой волны.

Этот метод определяет скорость ультразвуковых волн с использованием монохроматических источников, таких как натриевые лампы. Средой обычно является пьезоэлектрический кристалл, такой как кварц , турмалин или сегнетова соль . Механическое напряжение создается вдоль оси кристалла с помощью радиочастотного генератора. Регулируя частоту генератора, мы можем определить скорость $v_{c}\,\!$ ультразвуковых волн с помощью

$v_{c}=\eta \lambda _{c}\,\!$

где $\eta \,\!$ это частота генератора.

Ссылки

• Филип МакКорд Морс, «Рассеяние света звуковым лучом», Теоретическая акустика , стр. 809–816, Princeton University Press, 1986. ISBN   0691024014 .
• Роберт Лагеманн, «Метод оптической дифракции», в Дадли Уильямсе (редактор), Молекулярная физика , стр. 702–703, Academic Press, 1961. ISBN   0080859763 .

См. также

• Акустооптика
• Акустооптический модулятор
• Акустооптический дефлектор
• Акустооптический спектрометр
• Нелинейная оптика