Rejilla ultrasónica

Rejilla de difracción producida por la interferencia de ondas ultrasónicas

Una rejilla ultrasónica es un tipo de rejilla de difracción ^[1] producida por la interferencia de ondas ultrasónicas en un medio, que altera las propiedades físicas del medio (y, por lo tanto, el índice de refracción ) en un patrón similar a una cuadrícula. El término rejilla acústica es un término más general que incluye el funcionamiento a frecuencias audibles.

Una onda ultrasónica es una onda sonora con una frecuencia superior a 20 kHz. El oído humano no puede reconocer las ondas ultrasónicas, pero animales como los murciélagos y los perros sí. Las ondas ultrasónicas pueden producirse mediante el efecto piezoeléctrico y la magnetostricción .

Mecanismo

Cuando se generan ondas ultrasónicas en un líquido dentro de un recipiente rectangular, la onda puede reflejarse en las paredes del recipiente. Estas ondas reflejadas se denominan ecos. Las ondas directas y reflejadas se superponen y forman 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 rejilla de difracción para un haz de luz paralelo que pasa a través del líquido en ángulo recto con respecto a la onda.

La red de difracción así formada es análoga a una red 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 red convencional. Los nodos más densos refractan más la luz y son análogos a la parte opaca de una red convencional.

Matemáticas

El elemento de rejilla es igual a la longitud de onda de las ondas ultrasónicas, denotada por . Si es la longitud de onda de la luz que pasa a través de la rejilla y que se difracta en un ángulo , entonces el orden n del máximo viene dado por: ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$

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

o

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

Si es la velocidad de la onda ultrasónica en el líquido podemos calcular la velocidad de la onda con: ${\displaystyle v}$

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

o,

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

¿Dónde está la frecuencia de la onda? ${\displaystyle \nu }$

Método Debye-Sears

El método Debye - Sears determina la longitud de onda de la luz monocromática mediante una rejilla acústica o ultrasónica. Este método utiliza el concepto de piezoelectricidad para obtener una rejilla.

El fenómeno de difracción de la luz mediante una rejilla ultrasónica fue observado por primera vez por Debye y Sears en 1932. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en un líquido, la densidad varía de una capa a otra debido a la variación periódica de la 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, entonces aplicando el principio de difracción, obtenemos ${\displaystyle \lambda \,\!}$ ${\displaystyle \lambda _{c}\,\!}$

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

¿Dónde está el ángulo de difracción? ${\displaystyle \theta \,\!}$

De esta manera, podemos calcular uno u otro si conocemos el otro. 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. ${\displaystyle \lambda \,\!}$ ${\displaystyle \lambda _{c}\,\!}$

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 ${\displaystyle v_{c}\,\!}$

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

donde es la frecuencia del oscilador. ${\displaystyle \eta \,\!}$

Referencias

1. Kinoshita, S.; Yoshioka, S.; Miyazaki, J. (2008). "Física de colores estructurales". Informes sobre el progreso en física . 71 (7): 076401. Bibcode :2008RPPh...71g6401K. doi :10.1088/0034-4885/71/7/076401. S2CID  53068819.

• Philip McCord Morse, "Dispersión de 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 . 

Véase también

• Acústico-óptica
• Modulador acústico-óptico
• Deflector acústico-óptico
• Espectrómetro acústico-óptico
• Óptica no lineal