Grade ultrassônica - Ultrasonic grating
Uma grade ultrassônica é um tipo de grade de difração produzida por ondas ultrassônicas interferentes em um meio, alterando as propriedades físicas do meio e, portanto, o índice de refração , em um padrão de grade. O termo grade acústica é um termo mais geral que inclui a operação em frequências audíveis.
Uma onda ultrassônica é uma onda sonora em uma frequência maior que 20 kHz. O ouvido humano não consegue reconhecer as ondas ultrassônicas, mas animais como morcegos e cães podem. Ondas ultrassônicas podem ser produzidas pelo efeito piezoelétrico e magnetostrição .
Mecanismo
Quando ondas ultrassônicas são geradas em um líquido em um recipiente retangular, a onda pode ser refletida das paredes do recipiente. Essas ondas refletidas são chamadas de ecos. As ondas diretas e refletidas são sobrepostas, formando uma onda estacionária . A densidade do líquido em um nó é mais do que a densidade em um antinodo. Conseqüentemente, o líquido atua como uma rede de difração para um feixe de luz paralelo que passa pelo líquido em ângulos retos com a onda.
A rede de difração formada desta forma é análoga a uma rede de difração convencional com linhas regidas em uma placa de vidro. Os antinodos menos densos refratam menos a luz e são análogos às fendas de transmissão de uma grade convencional. Os nós mais densos refratam a luz mais e são análogos à parte opaca de uma grade convencional.
Matemática
O elemento de grade é igual ao comprimento de onda das ondas ultrassônicas - denotado por . Se é o comprimento de onda da luz passada pela grade que é difratada por um ângulo , então a enésima ordem do máximo é dada por:
ou
Se v é a velocidade da onda ultrassônica no líquido, podemos calcular a velocidade da onda com:
ou,
onde está a frequência da onda.
Método Debye-Sears
O método Debye - Sears determina o comprimento de onda da luz monocromática usando grades acústicas ou ultrassônicas. Este método utiliza o conceito de piezoeletricidade para obter uma grade.
O fenômeno de difração de luz usando uma grade ultrassônica foi observado pela primeira vez por Debye e Sears em 1932. Quando as ondas ultrassônicas são propagadas em um líquido, a densidade varia de camada para camada devido à variação periódica de pressão. Essa grade pode determinar o comprimento de onda da luz monocromática e a velocidade das ondas.
Se é o comprimento de onda de uma fonte de luz monocromática e é o comprimento de onda das ondas ultrassônicas, então aplicando o princípio de difração, obtemos
Onde está o ângulo de difração.
Assim, podemos calcular um ou se o outro é conhecido. Não precisamos nos preocupar com o elemento de grade, já que os próprios nós agem como fendas, portanto, a distância entre as duas fendas é igual ao comprimento de onda da onda ultrassônica.
Este método determina a velocidade das ondas ultrassônicas usando fontes monocromáticas como lâmpadas de vapor de sódio. O meio geralmente é um cristal piezoelétrico, como quartzo , turmalina ou sal de Rochelle . Uma tensão mecânica é produzida ao longo de um eixo do cristal usando um oscilador de RF . Ajustando a frequência do oscilador, podemos determinar a velocidade das ondas ultrassônicas usando
onde está a frequência do oscilador.
Referências
- Philip McCord Morse, "Light scattering by a sound beam", Theoretical Acoustics , pp. 809-816, Princeton University Press, 1986 ISBN 0691024014 .
- Robert Lagemann, "The optical diffraction method", em Dudley Williams (ed), Molecular Physics , pp. 702-703, Academic Press, 1961 ISBN 0080859763 .