Многие вещи существуют в природе достаточно давно, однако открывая их для себя человек частенько придумывает весьма любопытные новые применение для них — не является исключением и ультразвук, который, несмотря на достаточную изученность к нынешнему моменту (учёными), для обычных людей содержит ряд скрытых возможностей, малоизвестных широкой публике…
Ультразвуком называются колебания, превышающие диапазон слышимости человеческого слуха, то есть, превосходящие планку в 20 кГц.
Ультразвук известен человечеству достаточно давно, хотя, надо отметить, что, собственно, сам термин «ультразвук» появился относительно недавно — точная дата неизвестна, однако, предположительно, происхождение термина относится к рубежу XIX-XX веков, где приставку ultra («за пределами») впервые стали использовать физики и экспериментаторы XIX века, проводя свои эксперименты с пределами слышимости звука.
Однако ультразвук, как явление, был обнаружен существенно раньше — считается, что первым наблюдателем ультразвука в живой природе явился итальянский биолог Лаццаро Спалланцани, который ещё в 1794 году в ходе своих экспериментов обнаружил, что летучие мыши ориентируются в пространстве не с помощью зрения, а используя некий неслышимый человеческому слуху звук*.
*Согласно современным представлениям, летучие мыши действительно используют эхолокацию в ходе охоты, где при этом, могут как слышать, так и излучать высокочастотные звуки, доходящие вплоть до 200 кГц — а, скажем так, «рабочий диапазон звука» конкретной мыши зависит от её вида.
Первые попытки практического применения ультразвука начались уже в XIX веке, и с того момента до нас дошло весьма любопытное и простое изобретение — собачий свисток, позволяющий издавать ультразвуковой, слышимый для собак (и ряда других животных) звук, который может быть использован для связи с ними, например, в целях дрессировки:
Интересно, что некоторое количество моделей свистков (если кому интересно) для 3D печати, можно найти тут. Про работоспособность их сказать сложно, но сам факт имеется...:-)
Тем не менее, широкое применение ультразвука на практике началось только в XX веке — техническая эхолокация, неразрушающей контроль материалов, сварка (например, приваривание лямок у широко известных медицинских масок — осуществляется с помощью краткого прижатия ультразвуковым излучателем лямки к маске, где высокочастотные колебания вызывают тепловой (от трения) нагрев материалов и сваривание их друг с другом) и целый ряд других…
Мы сейчас не будем задаваться целью рассмотреть все возможные и невозможные варианты применения ультразвука, ограничившись только наиболее интересными, на мой взгляд.
И начнём, пожалуй, с одного из самых любопытных вариантов использования ультразвука (в виду практической применимости)...
Но для начала, наверное, надо сказать ещё раз, что в ультразвуке нет ничего «магического» — это всего лишь высокочастотные колебания, распространяющиеся в разных средах, где газовая (или воздушная) среда является всего лишь одной из них, в то время как колебания могут распространяться и в более плотных средах — например, керамике, металлах и целом ряде других — из этого и проистекает возможность практического применения.
Один из вариантов такого применения включает в себя задействование эффекта магнитострикции, заключающегося в изменении физических размеров объектов, под воздействием переменного магнитного поля:
Как отмечается подобный эффект наблюдается у всех материалов, однако, у некоторых (алфер, никель, пермендюр), он может быть наиболее сильным.
С точки зрения практического применения (а также доступности материала) интересным является то, что достаточно явный магнитострикционный эффект демонстрируется также ферромагнетиками, что означает возможность применения для создания любительских устройств весьма доступных компонентов — одним из которых являются цилиндрические ферриты, например, для катушек радиоприёмников.
В видео ниже хорошо видно, как под влиянием магнитного поля, на резонансной частоте, происходит резкое усиление амплитуды колебаний и распыление капли воды, лежащей на торце цилиндрического феррита:
Как можно видеть, эффект магнитострикции позволяет веществу (ферриту) изменять свои физические размеры с очень большой (ультразвуковой) частотой, что может быть полезным образом использовано.
Кому интересно, описание, как собрать подобное устройство, можно найти здесь.
Сам эффект магнитострикции ферритов, конечно любопытен, но для нас ведь важнее практическое применение, не так ли? ;-)
И таким интересным вариантом может быть весьма неожиданная вещь: ультразвук помогает спаять друг с другом абсолютно не спаиваемые в обычном состоянии объекты.
Например, как вам понравится: спаять между собой кусок стекла и медный провод?! Причём, что интересно, без какого-либо флюса!
Что интересно, возможности технологии весьма широки и позволяют соединять между собой любые металлы (например, при использовании обычных технологий требующие сложных флюсов, либо даже вообще не способных к соединению друг с другом), а также разнообразную керамику, стёкла с металлами либо друг с другом!
Ниже в двух видео показано предварительное облуживание паяемой поверхности — на базе заводского паяльника:
И на базе излучателя от ультразвуковой ванны (самодельное устройство; см. с 13:06):
Думается, что, наблюдая на такой широкий разброс вариантов излучателей, с применением которых удаётся достигать эффекта лужения и пайки, здесь существует интересная возможность применения дешёвых ферритовых стержней (которые мы рассмотрели выше), для создания такого же паяльника.
Да, скорее всего, их производительность будет ниже, но, думается, такая возможность тоже имеется...
Перед тем как сказать об этом следующем способе, следует сказать, что в последнее время в интернете распространяется своеобразный забавный тренд, проходящий под оригинальными названиями «Butter Run» («Масляный Забег»), «Churn and Burn» («Взбивай и Сжигай» — вольный перевод).
Суть затеи заключается в том, что бегуны, занимающиеся фитнесом на открытом воздухе, берут с собой в zip-пакет или небольшой контейнер жирные сливки (более 30% жирности), бросают туда щепотку масла, после чего закрывают и бегут с этим свою дистанцию.
В результате, от вибрации бега — происходит взбивание масла, то есть сливки превращаются в комок масла! :-)
Считается, что этот тренд запустила пара бегунов (парень и девушка) из Орегона, США.
По усреднённым данным, известно, что для успешного сбивания масла, необходимо, чтобы дистанция была длиной не менее 8-10 км, или, если по времени, то около часа непрерывного бега.
Здесь уже не похалтуришь, тут сразу видно, насколько хорошо ты бежал(а)! :-D
Выглядит это всё примерно как-то так:
А вот тут, наглядно видно, сколько нужно бежать, по протяжённости — парень провёл такой любопытный тест:
Размышляя над всем этим, мне пришла в голову довольно странная и поразительная мысль: а ведь можно существенно ускорить процесс взбивания масла, если использовать для этого ультразвуковую ванну!!!
Беглый поиск показал, что, похоже, я не единственный, кому пришла в голову такая странная мысль :-D и учёных этот вопрос тоже занимает.
Результаты научного исследования этого вопроса показывают, что, действительно, ультразвуковая обработка позволяет существенно сократить время сбивания масла, к тому же, попутно, повысив его твёрдость!
Таким образом, если вас волнует, что в магазине вам могут продать подделку вместо натурального масла, — вы знаете, что нужно делать…:-D
Ну и напоследок, один из самых интересных и впечатляющих экспериментов, одновременно отличающийся простотой: появление света в жидкости, при воздействии на неё ультразвука — явление получило название «сонолюминесценция» (в 1940-е годы) и может наблюдаться с весьма широким кругом жидкостей, где в роли них годится даже обычная вода.
Ядром эффекта выступает кавитационный пузырёк(ки), который в процессе своего схлопывания излучает яркую вспышку света, голубоватого цвета, где процесс роста и схлопывания пузырька схематически можно изобразить следующим образом (слева-направо):
А выглядит этот процесс примерно так:
Впервые явление было открыто в ходе экспериментов 1930-х годов, ученых Г.Френцеля (H. Frenzel) и С.Шультса (H.Schultes), которые проводя эксперименты в тёмной комнате с целью изучения кавитации и воздействуя ультразвуком на воду, обнаружили, что в толще жидкости возникает какое-то голубоватое свечение*.
*Так как схлопывание пузырьков происходит с большими частотами, например, при частоте ультразвука в 30 кгц, схлопывание и рост пузырька происходит с частотой 30 000 раз в секунду, то человеческий глаз не способен различить отдельные вспышки при такой большой частоте и, поэтому, он видит усредненный свет множества вспышек, субъективно воспринимаемый как «свечение».
В ходе экспериментов было выявлено, что свечение наблюдается только в случае наличия в воде растворенных газов, в то время как полностью дегазированная вода (например, кипячёная), таких свойств не проявляет.
Анализируя спектр наблюдаемого свечения, учёные выявили, что он является непрерывным, то есть представляет собой полную радугу, с максимумом в ультрафиолетовой области — такой непрерывный спектр (свойственный нагретым телам) сразу позволил им предположить, что природа наблюдаемого свечения является тепловой.
Несмотря на первое предположение, в дальнейшем, теорий было выдвинуто много: начиная от электрической (что возникает разность потенциалов и пробой), до предполагаемого наблюдения химических реакций, происходящих импульсно и излучающих свет, а также, вышеупомянутый тепловой теории.
В дальнейшем, список теорий распространился даже на предполагаемую термоядерную реакцию! Впрочем, последняя версия (начала 2000-х годов) так и не подтвердилась (но, вызвала много шума и споров).
В настоящий момент наиболее распространённой теорией является именно тепловая, подразумевающая,что основным источником наблюдаемого света является сверхскоростное (больше скорости звука) схлопывание стенок кавитационного пузырька, внутри которого в результате наблюдается экстремальный разогрев газов, вплоть до 20000 К (измеренная температура; что в градусах Цельсия составляет 19727°C), в ходе чего газ переходит в плазму, излучающую импульс света.
Кстати говоря, вот по этой ссылке чуть выше, очень много интересной информации касательно механизма сонолюминесценции, так что, если кому интересно, можете почитать…
Таким образом, наблюдаемое свечение может быть косвенным признаком возникновения кавитации, причём, оно будет весьма тусклым, трудноразличимым….
Впрочем, для желающих получить более простое и яркое свечение, я тут случайно обнаружил другой довольно интересный вариант — хинин в составе некоторых газированных напитков является мощным люминофором и весьма ярко светится, если его накачивать ультрафиолетом. Хотя это уже и не ультразвук. :-) Но тоже интересно:
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
