Una rejilla ultrasónica es un tipo de rejilla de difracción producida por la interferencia de ondas ultrasónicas en un medio que alteran las propiedades físicas del medio y, por tanto, el índice de refracción , en un patrón similar a una rejilla. El término rejilla acústica es un término más general que incluye el funcionamiento a frecuencias audibles.
Una onda ultrasónica es una onda de sonido a una frecuencia superior a 20 kHz. El oído humano no puede reconocer las ondas ultrasónicas, pero los animales como los murciélagos y los perros sí. Las ondas ultrasónicas pueden producirse por efecto piezoeléctrico y magnetostricción .
Mecanismo
Cuando se generan ondas ultrasónicas en un líquido en un recipiente rectangular, la onda se puede reflejar desde las paredes del recipiente. Estas ondas reflejadas se llaman ecos. Las ondas directas y reflejadas se superponen formando una onda estacionaria . La densidad del líquido en un nodo es mayor que la densidad en un antinodo. Por lo tanto, el líquido actúa como una red de difracción para un haz de luz paralelo que pasa a través del líquido en ángulo recto con la onda.
La rejilla de difracción así formada es análoga a una rejilla de difracción convencional con líneas trazadas sobre una placa de vidrio. Los antinodos menos densos refractan menos la luz y son análogos a las rendijas de transmisión de una rejilla convencional. Los nodos más densos refractan más la luz y son análogos a la parte opaca de una rejilla convencional.
Matemáticas
El elemento de rejilla es igual a la longitud de onda de las ondas ultrasónicas, denotado por. Sies la longitud de onda de la luz que pasa a través de la rejilla que se difracta en un ángulo, entonces el n-ésimo orden del máximo viene dado por:
o
Si v es la velocidad de la onda ultrasónica en el líquido, podemos calcular la velocidad de la onda con:
o,
dónde es la frecuencia de la onda.
Método Debye-Sears
El método Debye - Sears determina la longitud de onda de la luz monocromática utilizando rejillas acústicas o ultrasónicas. Este método utiliza el concepto de piezoelectricidad para obtener una rejilla.
Debye y Sears observaron por primera vez el fenómeno de difracción de la luz utilizando una rejilla ultrasónica en 1932. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en un líquido, la densidad varía de una capa a otra debido a variaciones periódicas de presión. Esta rejilla puede determinar la longitud de onda de la luz monocromática y la velocidad de las ondas.
Si es la longitud de onda de una fuente de luz monocromática, y es la longitud de onda de las ondas ultrasónicas, luego aplicando el principio de difracción, obtenemos
Dónde es el ángulo de difracción.
Por lo tanto, podemos calcular o si el otro es conocido. No debemos preocuparnos por el elemento de rejilla, ya que los propios nodos actúan como rendijas, por lo que la distancia entre dos rendijas es igual a la longitud de onda de la onda ultrasónica.
Este método determina la velocidad de las ondas ultrasónicas utilizando fuentes monocromáticas como lámparas de vapor de sodio. El medio suele ser un cristal piezoeléctrico como el cuarzo , la turmalina o la sal de Rochelle . Se produce una tensión mecánica a lo largo de un eje del cristal utilizando un oscilador de RF . Al ajustar la frecuencia del oscilador, podemos determinar la velocidad de las ondas ultrasónicas utilizando
dónde es la frecuencia del oscilador.
Referencias
- Philip McCord Morse, "Dispersión de la luz por un haz de sonido", Acústica teórica , págs. 809–816, Princeton University Press, 1986 ISBN 0691024014 .
- Robert Lagemann, "El método de difracción óptica", en Dudley Williams (ed.), Molecular Physics , págs. 702–703, Academic Press, 1961 ISBN 0080859763 .