Ультразвуковая решетка

Дифракционная решетка, создаваемая интерференцией ультразвуковых волн

Ультразвуковая решетка — это тип дифракционной решетки ^[1], создаваемой путем интерференции ультразвуковых волн в среде, которая изменяет физические свойства среды (и, следовательно, показатель преломления ) в сетчатом узоре. Термин акустическая решетка — 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 быть получены пьезоэлектрическим эффектом и магнитострикцией .

Механизм

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

Образованная таким образом дифракционная решетка аналогична обычной дифракционной решетке с нанесенными на стеклянную пластину штрихами. Менее плотные пучности преломляют свет меньше и аналогичны пропускающим щелям обычной решетки. Более плотные узлы преломляют свет больше и аналогичны непрозрачной части обычной решетки.

Математика

Элемент решетки равен длине волны ультразвуковых волн, обозначенной . Если — длина волны света, прошедшего через решетку и преломленного на угол , то n-й порядок максимума определяется выражением: ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle d\sin \theta =n\lambda }$

или

${\displaystyle d=n\lambda /\sin \theta }$

Если — скорость ультразвуковой волны в жидкости, то мы можем рассчитать скорость волны по формуле: ${\displaystyle v}$

${\displaystyle v/\nu =n\lambda /\sin \theta }$

или,

${\displaystyle v=\nu n\lambda /\sin \theta }$

где - частота волны. ${\displaystyle \nu }$

Метод Дебая–Сирса

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

Явление дифракции света с использованием ультразвуковой решетки впервые наблюдали Дебай и Сирс в 1932 году. Когда ультразвуковые волны распространяются 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 — длина волны монохроматического источника света, а — длина волны ультразвуковых волн, то, применяя принцип дифракции, получаем ${\displaystyle \lambda \,\!}$ ${\displaystyle \lambda _{c}\,\!}$

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

Где - угол дифракции. ${\displaystyle \theta \,\!}$

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

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 использованием радиочастотного генератора. Регулируя частоту генератора, мы можем определить скорость ультразвуковых волн, используя ${\displaystyle v_{c}\,\!}$

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

где - частота генератора. ${\displaystyle \eta \,\!}$

Ссылки

1. Киносита, С.; Ёсиока, С.; Миядзаки, Дж. (2008). «Физика структурных цветов». Reports on Progress in Physics . 71 (7): 076401. Bibcode : 2008RPPh...71g6401K. doi : 10.1088/0034-4885/71/7/076401. S2CID  53068819.

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

Смотрите также

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