Большая Советская Энциклопедия (ГИ)

Гиперзвук

Гиперзву'к, упругие волны с частотой от 10⁹ до 10¹²—10¹³ гц; высокочастотная часть спектра упругих волн. По физической природе Г. ничем не отличается от ультразвука, частоты которого простираются от 2·10⁴ до 10⁹ гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия Г. с квазичастицами среды — электронами, фононами, магнонами и др.

  Область частот Г. соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысоким частотам — СВЧ). Используя технику генерации и приёма электромагнитных колебаний СВЧ, удалось получить и начать исследование частот Г. ~ 10¹¹ гц.

  Частоте 10⁹ гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре соответствует длина волны Г. 3,4·10^-5 см, т. е. эта длина одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях. Поскольку упругие волны могут распространяться в упругой среде только при условии, что длины этих волн заметно больше длины свободного пробега в газах (или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах), то в воздухе и газах при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны не распространяются. В жидкостях затухание Г. очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошими проводниками Г. являются твёрдые тела в виде монокристаллов, но главным образом лишь при низких температурах. Так, например, даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием упругих волн, на частоте 1,5·10⁹ гц продольная гиперзвуковая волна, распространяющаяся вдоль оси Х кристалла, при комнатной температуре ослабляется по амплитуде в 2 раза при прохождении расстояния всего в 1 см. Однако имеются проводники Г. лучше кварца, в которых затухание Г. значительно меньше (например, монокристаллы сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и др.).

  Долгое время гиперзвуковые волны не удавалось получать искусственным путём (в этом одна из причин выделения этой области спектра упругих волн, названной «гиперзвуком»), поэтому изучали Г. теплового происхождения. Твёрдое кристаллическое тело можно представить как некоторую объёмную пространственную решётку, в узлах которой расположены атомы или ионы. Тепловое движение представляет собой непрерывные и беспорядочные колебания этих атомов около положения равновесия. Такие колебания можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых различных частот — от самых низких собственных частот упругих колебаний данного тела до частот 10¹²—10¹³ гц (далее спектр упругих волн обрывается), распространяющихся по всевозможным направлениям. Эти волны называют также дебаевскими волнами, или тепловыми фононами.

  Фонон представляет собой элементарное возбуждение решётки кристалла или квазичастицу с энергией ћn и импульсом ћn/c, где n — частота, с — скорость звука в кристалле и ћ. — постоянная Планка. Фонону соответствует плоская упругая волна определ. частоты подобно тому, как фотону соответствует плоская электромагнитная волна определённой частоты. Тепловые фононы имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый Г. может иметь какую-нибудь одну определенную частоту. Поэтому искусственно генерируемый Г. можно представлять как поток когерентных фононов (см. Когерентность). В жидкостях тепловое движение имеет характер, близкий к характеру теплового движения в твёрдых телах, поэтому в жидкостях, как и в твёрдых телах, тепловое движение непрерывно генерирует некогерентные гиперзвуковые волны.

  До того как стало возможным получать Г. искусственным путём, изучение гиперзвуковых волн и их распространения в жидкостях и твёрдых телах проводилось главным образом оптическим методом. Наличие Г. теплового происхождения в оптически прозрачной среде приводит к рассеянию света с образованием нескольких спектральных линий, смещенных на частоту Г. n, т. н. Мандельштама — Бриллюэна рассеяние. Исследования Г. в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения Г. от частоты и аномального поглощения Г. (см. Дисперсия звука).

  Современные методы генерации и приёма Г. основываются главным образом на использовании явлений пьезоэлектричества (возникновения электрических зарядов на поверхности пьезоэлектрического кристалла, например на пластинке кварца, вырезанной определенным образом под действием механической деформации, и, наоборот, деформация кристалла, помещенного в электрическое поле) и магнитострикции (изменения формы и размеров тела при намагничивании и изменения намагниченности при деформации).