rejilla ultrasónica

Rejilla de difracción producida por interferencias 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 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 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 pueden. Las ondas ultrasónicas pueden producirse por efecto piezoeléctrico y magnetoestricción .

Mecanismo

Cuando se generan ondas ultrasónicas en un líquido en un recipiente rectangular, la onda puede reflejarse en las paredes del recipiente. Estas ondas reflejadas se llaman ecos. Las ondas directa y reflejada 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 rejilla 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 transmisoras 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 la 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 que se difracta en un ángulo , entonces el enésimo orden 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 rejillas acústicas o ultrasónicas. Este método utiliza el concepto de piezoelectricidad para obtener una rejilla.

El fenómeno de la 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, aplicando el principio de difracción, obtenemos ${\displaystyle \lambda \,\!}$ ${\displaystyle \lambda _{c}\,\!}$

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

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

Así podemos calcular uno de los dos o si se conoce 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 usando ${\displaystyle v_{c}\,\!}$

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

¿Dónde está la frecuencia del oscilador? ${\displaystyle \eta \,\!}$

Referencias

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

• 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), Física Molecular , págs. 702–703, Academic Press, 1961 ISBN 0080859763 . 

Ver también

• Acústica-óptica
• Modulador acústico-óptico
• Deflector acústico-óptico
• espectrómetro acústico-óptico
• Óptica no lineal