Кудрявцев Борис Борисович

О неслышимых звуках

О НЕСЛЫШИМЫХ ЗВУКАХ

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

Открытые в начале XX века ультразвуки нашли сейчас широкое применение в самых разнообразных областях науки и техники. Они помогают обнаруживать подводные лодки и различные препятствия на дне морей и рек, используются для промера глубин, для контроля качества металлических конструкций и деталей, для очистки воздуха, в медицине и фармацевтической промышленности и т. д.

О том, что такое ультразвуковые волны, о способах их получения, свойствах и применении и рассказывает книга специалиста в области ультразвуков профессора доктора химических наук Б. Б. Кудрявцева «О неслышимых звуках».

В настоящем издании, по сравнению с первым, вышедшим в 1954 году, книга дополнена рядом новых разделов, отражающих последние достижения науки (например, «Ультразвуки и металлургия», «Чудесный термометр», «Автоматический анализатор» и др.), и снабжена приложением, которое даст возможность желающим самостоятельно построить простейший ультразвуковой генератор.

ОТ АВТОРА

Эта небольшая книга посвящена описанию успехов молодой, быстро развивающейся отрасли знания.

Открытые в самом начале XX века неслышимые звуки сразу привлекли к себе внимание исследователей, работающих в самых различных областях науки и техники. Насчитывается уже несколько тысяч научных работ, посвященных изучению свойств неслышимых звуков и их практическому применению.

В истории развития науки о неслышимых звуках видная роль принадлежит советским ученым. Наша страна является родиной практического использования ультразвуков. Впервые их применил в своих исследованиях великий русский физик Петр Николаевич Лебедев. С тех пор наши соотечественники идут в первых рядах исследователей неслышимых звуков, открывая все новые возможности их применения в практике.

Следить за развитием науки так же интересно, как читать увлекательный роман. Каждый из нас может назвать книгу, от которой ему трудно было оторваться. Вспомните, с каким волнением следили вы за судьбой героя, как радовались его удачам, как горевали, когда судьба была к нему жестока. Вспомните, как хотелось узнать его дальнейшую участь, как старались вы догадаться о том, что ожидает его впереди, чего ему удастся добиться и что из его начинаний останется незавершенным.

То же самое испытываешь, когда следишь за развитием науки, пытаешься заглянуть в ее завтрашний день.

В этой книге мы расскажем о различных открытиях в области неслышимых звуков. Может случиться так, что некоторые из описанных в этой книге применений неслышимых звуков не оправдают в дальнейшем возлагаемых на них надежд. Вполне возможно, что, объясняя действия ультразвука, мы совершим ошибку. Когда эта ошибка обнаружится, придется возвратиться назад и начать работу снова… Вспомним тогда слова Карла Маркса о том, что «в науке нет широкой столбовой дороги, и только тот может достигнуть ее сияющих вершин, кто, не страшась усталости, карабкается по ее каменистым тропам».

Если кто-либо из читателей заинтересуется применением неслышимых звуков и захочет попробовать свои силы, участвуя в развитии этой области знания, перед ним распахнутся двери в необъятный и увлекательный мир научных исследований.

Изучение неслышимых звуков в настоящее время представляет необозримое поле деятельности для исследователей природы, открывает огромные возможности для применения творческих сил человека.

Советские воины могут быть уверены в том, что наши ученые, вдохновляемые великими идеями Коммунистической партии, с честью выполнят возложенные на них задачи, используют все достижения науки в целях дальнейшего укрепления могущества нашей социалистической Родины.

Глава 1.

МИР ЗВУКОВ

Мир, в котором мы живем, наполнен звуками. Лишенный звуков, мир был бы неизмеримо беднее. Наше представление о лесе неразрывно связано с пением птиц, шумом деревьев; о поле — со стрекотаньем кузнечиков; о море — с рокотом волн, шумом прибоя; о городе — с его характерным многообразием звуков, называемым «городским шумом», в котором сливаются в своеобразную симфонию отдаленные гудки паровозов, трамвайные звонки, обрывки человеческой речи или музыки, приглушенный гул многочисленных фабрик и заводов.

Очень давно человек научился находить приятные сочетания звуков — создавать музыкальные мелодии. Музыка справедливо считается одним из старейших видов искусства. Чарующее действие музыкальных мелодий породило много поэтических легенд. Наши предки приписывали звукам даже волшебные свойства. Они считали, что музыка может усмирять диких зверей, сдвигать с места леса и скалы, удерживать потоки воды, успокаивать разбушевавшуюся стихию. Уже в глубокой древности научились создавать музыкальные инструменты. На египетских памятниках мы встречаем изображения музыкантов, играющих на флейтах и арфах.

Древние народы заложили и основу науки о звуке, или, как мы теперь говорим, акустики. Первые акустические опыты, сведения о которых дошли до нас, принадлежат греческому философу и ученому Пифагору, жившему две с половиной тысячи лет назад.

С тех пор человек прилагал много усилий для того, чтобы узнать природу и свойства звуков. И вот постепенно к концу XIX века установилось мнение, что о звуке мы знаем практически все. Казалось, что в акустике можно только пояснять уже известные явления, пользуясь более совершенными приборами, с меньшей ошибкой определять величины, которые, хотя и грубо, были уже определены раньше, но открыть что-либо новое нельзя.

Это было неверно.

Наше знание окружающего мира непрерывно расширяется и углубляется, «…и если вчера, — как учит нас В. И. Ленин, — это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…» (Соч., т. 14, стр. 249).

Оказалось, что и мир звуков хранил тайны, о существовании которых не догадывался человек. В то самое время, когда ученые склонялись к мысли о том, что в акустике все выяснено, была открыта новая увлекательная страница знания, была открыта дверь в неизвестное до тех пор царство природы — царство неслышимых звуков.

Это открытие имело большое значение для развития науки. Узнав свойства и особенности неслышимых звуков, человек с успехом использовал их как средство дальнейшего проникновения в тайны природы. Они стали помощниками человека.

Сначала о звуках слышимых

Свойства ультразвука без знакомства с обычными, слышимыми звуками понять нельзя. Поэтому мы очень кратко расскажем читателю, что же известно о природе и свойствах обычных, воспринимаемых ухом звуков.

Прислушаемся к тем звукам, которые проникают в наше сознание, как только мы проснемся. Вот, например, раздался гудок заводской сирены.

Что произошло в тот момент, когда возник звук гудка?

Машинист открыл клапан, и сжатый воздух стремительно вырвался наружу, расширился, занял значительно больший объем. Подстегнутые толчком, сместились мельчайшие частицы воздуха — молекулы. Но уйти далеко молекулы не могут. Резко подавшись вперед, они смешиваются с молекулами слоев воздуха, расположенных перед ними, и поджимают их. Поэтому в соседних слоях воздуха на ничтожное мгновение окажется гораздо больше молекул, чем было раньше. Это означает, что давление в них на мгновение возрастет, воздух станет плотнее.

Сирена создает прерывистую струю сжатого воздуха, и подобные толчки молекул возникают много раз в секунду.

В те моменты, когда струя воздуха прерывается, смещение молекул приводит к тому, что в слое, расположенном рядом со сжатым, на мгновение окажется недостаток молекул. Поэтому рядом со слоем сгущенным, слоем повышенного давления, возникнет слой разряженный, с пониженным давлением. Пока гудит сирена, слои сгущений и разряжений бегут во все стороны.

Попадая в человеческое ухо, чередующиеся сжатия и разрежения вызывают ощущение звука.

Таким образом, то, что мы называем звуком, представляет собою быструю последовательную смену чередующихся сжатий и разрежений воздуха.

При этом частицы воздуха не перемещаются вместе с распространяющимся звуком. Подталкиваемые сжатым воздухом, они только колеблются, попеременно смещаясь вперед и назад на очень небольшие расстояния.

Сходное движение можно наблюдать, когда по поверхности воды бежит волна и поверхность делается неровной: одни участки приподнимаются, образуя гребни, другие опускаются, создавая впадины (рис. 1).

Такое движение называют волновым.

Рис. 1. Волны на поверхности воды

Наблюдая за поплавком, брошенным на поверхность воды, мы обнаружим, что он только колеблется, то поднимаясь, то опускаясь, а не движется вдоль поверхности вместе с бегущей волной.

Это говорит о том, что молекулы воды не перемещаются вместе с волной, они только колеблются около своих средних положений, и это колебательное движение передается молекулами вещества все дальше и дальше, наподобие того, как передают палочку эстафеты бегуны на стадионе.

На поверхности воды за гребнем волны следует впадина, а в воздухе, в котором распространяется звук, сгущение молекул сменяется разрежением; и там и тут отдельные частицы вещества совершают колебательные движения.

Благодаря сходству в движении частиц воздуха и воды чередующиеся сжатия и разрежения в воздухе называют звуковыми волнами.

Когда до какой-либо точки пространства доходит звуковая волна, частицы вещества, до того не совершавшие упорядоченных движений, начинают колебаться. Всякое движущееся тело, в том числе и колеблющееся, способно совершать работу, оно, как говорят, обладает энергией. Очевидно, что распространение звуковой волны сопровождается распространением энергии. Источником этой энергии является звучащее тело. Именно оно излучает в окружающее вещество энергию.

Состязание звуков

Звуковые волны возникают и распространяются в воздухе при колебаниях любого тела: струны, мембраны патефона, диффузора репродуктора и т. д.

Проводником звуковых волн может быть не только воздух.

Перед Куликовской битвой князь Димитрий Донской выехал на разведку и, приложив ухо к земле, услышал конский топот: приближалась вражеская конница. В этом случае звуковые волны распространялись в земле.

В различных веществах скорость распространения звуковых волн неодинакова.

В воздухе скорость звука сравнительно невелика и составляет при обычных условиях всего 332 метра в секунду. Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел от Москвы до Ленинграда, то нас услышали бы там через полчаса.

В воде звук распространяется быстрее: за одну секунду он проходит приблизительно 1,5 километра. От Москвы до Ленинграда «водным путем» звук шел бы около 7 минут.

С еще большей скоростью распространяется звук в твердых телах. Например, в стальном стержне звук пробегает за 1 секунду около 5 километров, и расстояние между Москвой и Ленинградом по стальному рельсу он прошел бы приблизительно за 2 минуты.

В обыденной жизни мы различаем звуки в зависимости от их силы и тона.

Тон звука зависит от частоты, с которой колеблется звучащее тело. Чем больше частота, тем большее количество сжатий и разрежений возникает в звуковой волне за одну секунду и тем выше тон звука.

Частота колебаний измеряется единицей, называемой герцем. Один герц — это такая частота, когда в одну секунду совершается одно колебание. Тысяча герц называется килогерцем.

Скорость распространения для звуков различного тона одна и та же. Поэтому у звуков большей частоты соседние области сжатий или разрежений будут расположены ближе друг к другу, чем у звуков меньшей частоты.

Расстояние между двумя соседними областями сжатия воздуха или между двумя соседними областями разрежения называют длиной звуковой волны. Чем больше частота звука, тем короче длина волны (рис. 2).

Рис. 2. Распределение молекул воздуха в двух волнах разной частоты

Человеческое ухо очень чувствительно к тону звука. Одаренный музыкальным слухом человек может различить два звука, один с частотой 1 000, а другой — 1 003 колебания в секунду!

Однако два звука одного и того же тона все же могут восприниматься нами по-разному: про один из них мы скажем, что он сильнее, громче другого. Сила звука зависит при одной и той же частоте от размаха колебаний звучащего тела.

Звучащее тело, совершающее колебания с бóльшим размахом, будет вызывать бóльшие изменения давления воздуха, и звук будет сильнее. Чем больше изменения давления, тем больше сила звука (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость силы звука от размаха колеблющегося тела

В последние годы учеными созданы источники звука огромной силы, или, как чаще говорят, мощности.

Если мы попробуем превратить звуковую энергию в теплоту, то увидим, насколько мала энергия, излучаемая обычными источниками звука, по сравнению с энергией современных мощных генераторов звука. Действительно, для того чтобы нагреть до кипения стакан воды, превратив в теплоту энергию, затрачиваемую нами при разговоре, понадобилось бы, в зависимости от громкости голоса, говорить непрерывно от 75 до 2 тысяч лет. Если же использовать звуковую энергию, излучаемую современными мощными источниками звука, то потребуется всего около 7 минут.

Обычно силу звука мы оцениваем на слух, однако измерить ее таким образом нельзя, так как чувствительность уха имеет свои особенности. Именно эти особенности и объясняют, почему мы так долго не знали о существовании ультразвуков и в такой старой области знания, как акустика, могли сохраниться неизученными, подобно «белым пятнам» на географической карте, целые большие разделы.

Законы слышимости

Человеческое ухо по-разному воспринимает звуки различной частоты. Особенно велика чувствительность его к звукам, частоты которых лежат в интервале от 1 тысячи до 3 тысяч колебаний в секунду. В этой области мы воспринимаем даже такие звуковые волны, в которых изменение давления в тысячи раз меньше, чем изменение давления, испытываемое человеческой рукой, на которую сел комар. Еще немного, и мы воспринимали бы как звук те случайные увеличения плотности воздуха, которые возникают в результате беспорядочного движения его молекул. А так как такие уплотнения происходят непрерывно, то окружающий нас мир был бы в этом случае наполнен не прекращающимся ни на мгновение шумом.

Чувствительность уха характеризуют той наименьшей силой звука, которая необходима для того, чтобы звук был услышан, — это будет порог слышимости. Естественно, что чем выше чувствительность, тем ниже порог слышимости.

С уменьшением частоты звука уменьшается наша способность к его восприятию и соответственно возрастает порог слышимости.

Для того чтобы быть услышанным, звук очень низкого тона, частота которого 100 колебаний в секунду, должен быть сильнее, чем, например, звук с частотою 3 тысячи колебаний в секунду.

Звуковые же волны, колебания в которых происходят очень медленно, скажем меньше 16–20 раз в секунду, вовсе не будут восприниматься человеческим ухом. Это — неслышимые инфразвуковые волны.

Невосприимчивость нашего уха к колебаниям низкой частоты важна для человека: она дает ему возможность не слышать биения собственного сердца, которое иначе воспринималось бы как непрерывный рокот.

Ультразвуки

Не воспринимает ухо человека и звуков очень большой частоты. В зависимости от возраста и индивидуальных особенностей человек не слышит звуков, частоты которых превышают 16–20 тысяч колебаний в секунду.

Эти неслышимые человеческим ухом высокочастотные звуковые колебания называют ультразвуками.

Физическая природа всех звуков едина, и, как мы видим, деление звуковых волн на слышимые и неслышимые условно. Оно связано с особенностями нашего уха.

Среди волн, частоты которых соответствуют слышимым звукам, наше ухо не способно воспринимать как очень слабые, так и очень мощные звуки.

Когда сила звука делается достаточно большой, человек перестает слышать звук и воспринимает звуковые колебания как ощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения.

Как показывает опыт, сила, при которой звуки разной частоты вызывают появление болевого ощущения, различна; поэтому мы можем заключить, что порог болевого ощущения изменяется при изменении частоты звука. В области частот, соответствующей максимальной чувствительности человеческого уха, то есть там, где мы различаем самые слабые звуки, наше ухо может воспринимать без ощущения боли и очень мощные звуки.

Если силу наиболее слабого из воспринимаемых ухом звуков условно принять за единицу, то сила наиболее мощного звука той же частоты, который еще не будет вызывать ощущения боли, выразится числом, состоящим из единицы и 12 нулей!

Сказанное наглядно поясняет рис. 4. Вдоль горизонтальной оси отложена частота звука, вдоль вертикальной — сила звука.

Рис. 4. Область слышимых звуков

Сплошная кривая соответствует порогу слышимости, а пунктирная кривая — порогу болевого ощущения.

Как можно убедиться, взглянув на рисунок, верхняя и нижняя кривые сближаются как при значительном увеличении частоты, так и при ее уменьшении. На рисунке при этом выделяется определенная область частот, которые соответствуют волнам, воспринимаемым человеческим ухом как звук. В заштрихованной части этой области находятся волны, используемые нами при разговоре и в музыке. Как мы видим, это только очень небольшая часть тех волн, которые воспринимает человеческое ухо.

Многие читатели, несомненно, задумаются над тем, имеется ли предел увеличению частоты звуковых колебаний.

Замечательный русский физик Петр Николаевич Лебедев, впервые применивший в исследовательской работе ультразвук, обратил внимание на то, что затухание высокочастотных звуков ставит предел распространению их в воздухе. П. Н. Лебедев подсчитал, что звуки с частотой около 5 миллионов колебаний в секунду практически не будут распространяться в воздухе, они будут затухать непосредственно у источника колебаний.

Петр Николаевич Лебедев (родился в 1866 г., умер в 1912 г.)

Хотя в жидких и твердых телах звук затухает несравненно медленнее, все же и в них нельзя беспредельно увеличивать его частоту. Рано или поздно мы, наконец, достигнем частот, соответствующих тепловым колебаниям молекул. Такие частоты будут верхней границей области ультразвуковых колебаний. Но чтобы достичь верхней границы ультразвуковых колебаний, надо увеличить частоту колебаний ультразвука еще в несколько тысяч раз по сравнению с той, которой удалось достичь сейчас.

Некоторые из замечательных свойств ультразвука, такие, например, как ускорение им химических превращений или способность дробить вещество, объясняются в большей степени его мощностью, нежели высокой частотой колебаний. Когда удалось получить достаточно мощные слышимые звуки, обнаружилось, что и они вызывают сходные действия. Поэтому когда в наше время говорят о практическом использовании ультразвуков, то часто обсуждают и возможные применения мощных слышимых звуков.

Глава 2.

ПЕРВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Много лет назад

Первое практическое применение ультразвука относится к тем временам, когда наши знания вообще о звуках были очень скудными. Даже природа звука не была еще хорошо известна человеку, а об ультразвуке не имели и понятия.

Наблюдая окружающую жизнь, человек заметил, что собаки реагируют на какие-то звуки, которых он сам не слышит. С этим наблюдением и было связано первое применение ультразвуков.

С давних пор браконьеры — люди, занимающиеся недозволенной охотой, — жестоко преследовались законом. Они обычно пользовались особым коротким свистком, который так и назывался «свистком браконьера». Свисток издавал звук столь большой частоты, что человек его не слышал, но слышала собака.

Спрятавшись в кустах, браконьер мог спокойно подозвать к себе собаку, не опасаясь стоящего поблизости сторожа. Это объясняется тем, что область слышимых звуков для собак иная, чем для человека.

Впрочем, браконьеры так же мало задумывались над природой ультразвука, как не задумывался над превращением энергии первобытный человек, добывавший огонь ударом камня о камень.

Изучать же ультразвук стали сравнительно недавно.

В конце прошлого и начале нашего века в развитии науки произошел гигантский скачок. В эти годы была установлена сложность строения атома, обнаружена способность некоторых элементов самопроизвольно превращаться в другие, открыты различные «невидимые» лучи, замечательный русский ученый А. С. Попов подарил миру величайшее изобретение — радио. Все эти достижения подготовили почву для проникновения еще в одну, до того неведомую область природы — в мир ультразвуков.

Ультразвуковые волны были получены в физических лабораториях в самом конце прошлого века с помощью очень маленьких камертонов, имевших в длину всего несколько миллиметров. Частота ультразвука доходила до 90 тысяч колебаний в секунду. Использовали для получения ультразвука также и особые свистки, названные по имени изобретателя «свистками Гальтона» (рис. 5). Но практического применения неслышимые звуки не находили. Именно это обстоятельство и было одной из причин медленного вначале развития новой области знания.

Рис. 5. Современный свисток для получения ультразвука

Когда же в практической деятельности человека возникла потребность использования ультразвука, положение резко изменилось.

Новая задача

В первую мировую войну 1914–1918 гг. морской флот нес большие потери от подводных лодок. Просторы океана превратились буквально в ловушку для кораблей. Долгое время ученые тщетно пытались найти способы борьбы с подводными лодками.

Среди ученых, отдавших свои силы и знания этому делу, был знаменитый физик, впоследствии коммунист, Поль Ланжевен и другие исследователи.

Поль Ланжевен (родился в 1872 г., умер в 1946 г.)

В 1914–1918 гг. он вместе с русским инженером К. Шиловским предложил использовать для борьбы с подводными лодками неслышимые звуки.

Мысль была очень проста: специальный излучатель посылал в выбранном направлении под водой короткий ультразвуковой сигнал. Если путь был свободен, сигналбежал вперед и терялся в океане. Если же на пути попадался какой-либо предмет, отличавшийся по своей плотности от воды, звук отражался от него и в виде эха бежал обратно к излучателю. Приход эхо-сигнала указывал на наличие в море постороннего предмета.

При этом можно было определить и расстояние, на котором находилось обнаруженное препятствие.

Предположим, что отраженный сигнал пришел через 3 секунды после того, как он был послан. За секунду, как известно, звук проходит в воде приблизительно 1,5 километра, так что за 3 секунды он пройдет около 4,5 километра. Надо только учесть, что звук сначаладвигается вперед, а затем возвращается, поэтому найденную величину делят пополам. Следовательно, в приведенном примере обнаруженный предмет находился на расстоянии немногим больше 2 километров.

У читателя, естественно, возникнет вопрос: почему для устройства такого прибора необходим ультразвук? Нельзя ли было воспользоваться самым обычным, слышимым звуком?

Незадолго до этого, в 1912 году, около берегов Северной Америки столкнулся с ледяной горой и в несколько минут пошел ко дну вместе с тысячами пассажиров огромный английский пароход «Титаник». Весть о трагической гибели «Титаника» быстро облетела весь мир. Люди задумались над тем, как избежать в будущем подобных катастроф.

Не может ли звуковое эхо предупреждать команду корабля о грозящей опасности?

Однако создать такой прибор не удалось. Помешало этому одно из основных свойств звука.

Звук и свет

Представьте себе, что летней ночью вы стоите в саду возле открытого окна. Мелодичные звуки рояля льются из комнаты и медленно теряются в ночной тиши.

Обратите внимание на то, как резко очерчен светлый квадрат окна на песке дорожки. Если вы хотите прочитать что-либо при свете, падающем из окна, вам необходимо стать на пути световых лучей, и достаточно немного отступить в сторону, чтобы оказаться в полной темноте. Прямыми, как стрелы, лучами распространяются световые волны.

Иначе ведет себя звук.

Отойдите в сторону от окна, и это не помешает вам слушать музыку. Можно даже стать сбоку от окна, совсем близко к стене дома, и все же звуковые волны достигнут вас. Не думайте, что звуки, которые вы слышите, проходят сквозь стену. Закрыв окно, вы убедитесь, что звуки шли именно из окна.

Почему же световая волна распространяется резко ограниченным лучом, а звуковая расходится по всем направлениям, наподобие тех волн, какие возникают на поверхности воды от брошенного камня?

Это различие вызвано разницей в длине волн.

Будет ли волна распространяться направленно, как свет, или сразу во всех направлениях, как звук, зависит от соотношения между размерами источника волнового движения, колеблющегося тела или отверстия в преграде, через которое проходит волна, идущая от какого-либо источника, расположенного за преградой, и длиною волны.

Если размер отверстия меньше длины волны или близок к ней, волна будет распространяться сразу во всех направлениях, подобно тому, как это изображено на рис. I, а.

Рис. I.

а — прохождение волны через отверстие, размеры которого меньше длины волны; б — прохождение волны через отверстие, размеры которого больше длины волны; в — масляный фонтан, образовавшийся над колеблющейся плоской пластинкой; г — масляный фонтан, образовавшийся над колеблющейся вогнутой пластинкой

Именно так обстоит дело в примере со звуками, идущими из открытого окна. Невысокие звуки рояля имеют длину волны около метра; такая длина волны близка к размерам окна, через которое звуки проникают в сад, поэтому-то звук и распространяется сразу во всех направлениях.

Если же отверстие в преграде значительно больше длины волны, то излучение будет направленным: волна будет распространяться в виде луча с более или менее резко ограниченными краями, как показано на рис. I, б.

Длина волны световых лучей измеряется десятитысячными долями миллиметра. По сравнению с длиной световой волны размеры окна огромны, именно поэтому так резко ограничен световой луч.

Распространение волны, посылаемой излучателем, сходно с распространением ее из отверстия в преграде, расположенной на пути волны. Поэтому и в том случае, если окно заменить соответствующим излучателем, звуковые волны будут расходиться по-прежнему во всех направлениях.

Этим и объясняется неудача попыток применить слышимые звуки для обнаружения препятствий на пути корабля. От обычного источника звука эхо будет приходить не только от предметов, расположенных впереди корабля, но и от тех, которые находятся сбоку и даже позади.

При желании можно и звук сделать таким же направленным, как свет; для этого необходимо или увеличить размеры излучателя звука, или уменьшить длину звуковой волны, то есть увеличить ее частоту. Практически оказывается, что для получения сравнительно мало расходящегося звукового луча надо пользоваться ультразвуковыми волнами.

Уже в первых опытах с ультразвуком было замечено, что он действительно распространяется узким пучком. Причина этого для нас сейчас ясна. В самом деле, в воде ультразвук частотою 20 тысяч колебаний в секунду имеет длину волны всего 7,5 сантиметра; таким образом, вибратор диаметром 50 сантиметров будет превышать длину волны в 6,6 раза.

Излучение такого вибратора будет направленным, подобно световому лучу.

Для того чтобы сделать столь же направленными обычные слышимые звуки, потребовалось бы сконструировать источник звука размером около 10 метров! Использовать такой прибор практически невозможно. Теперь нам ясно, почему Ланжевен для обнаружения подводных лодок воспользовался именно ультразвуком, который легко направить в виде узкого лучика в выбранном направлении.

Казалось бы, задача борьбы с подводными пиратами была решена. Но это впечатление было обманчивым. На пути к осуществлению простой идеи Ланжевена и Шиловского стояло еще много трудностей. И камертоны и свистки Гальтона давали очень слабые ультразвуки, и с их помощью нельзя было обнаружить подводные лодки. Отсутствие соответствующих источников ультразвука не позволило применить его и для обнаружения айсбергов, хотя после гибели «Титаника» такие предложения высказывались.

Практика поставила перед наукой новую задачу: необходимо было создать мощный источник ультразвука.

Чудесные кристаллы

Многие из читателей видели красивые кристаллы горного хрусталя, или, как его называют в химии, кварца (рис. 6).

Рис. 6. Кварц и пьезопластинка

Пластинка, вырезанная из кристалла кварца, обладает замечательными свойствами: при сжатии на противоположных гранях пластинки возникают разноименные электрические заряды. Такое возникновение электричества под действием давления называют пьезоэлектрическим эффектом.

Если такую пластинку растянуть, то на ее гранях также появятся электрические заряды, но знаки их будут обратны тем, которые были при сжатии.

Попеременно сжимая и растягивая пластинку, мы вызовем появление на ее противоположных гранях разноименных зарядов, знаки которых будут меняться соответственно с изменениями формы пластинки.

Этим не ограничиваются замечательные свойства кварцевой пластинки. Оказывается, что если ее противоположные грани заряжать разноименным электричеством, то в такт изменениям знаков зарядов меняется и форма пластинки: пластинка делается то толще, то тоньше.

Поместим пластинку в газ или жидкость. При утолщении пластинки грани ее, двигаясь наподобие поршня в цилиндре паровой машины, подожмут вещество, в которое она погружена. При сжатии же пластинки, наоборот, вблизи ее поверхности образуется разрежение. Повторяющиеся изменения формы пластинки вызовут в окружающем ее веществе возникновение чередующихся сжатий и разрежений. Сжатия и разрежения, распространяясь в пространстве, и создадут волну. Пластинка явится источником волн — излучателем (рис. 7).

Рис. 7. Пьезоэлектрический излучатель

Изменения формы пластинки можно производить с любой частотой, для этого достаточно с соответствующей скоростью изменять знаки электрических зарядов на ее гранях.

Известный советский физик Сергей Яковлевич Соколов заставил кварцевую пластинку совершать миллиарды колебаний в секунду, однако и это не является пределом.

Надо помнить, что изменение размеров кварцевой пластинки очень невелико. Если к кварцевой пластинке, подвести электрическое напряжение, скажем, в 1000 вольт, то толщина пластинки увеличится или уменьшится лишь на 2 десятимиллионные части сантиметра; это расстояние ничтожно мало, на нем могло бы уложиться всего 10–15 атомов.

Но можно увеличить размах колебаний пластинки.

Проделаем такой опыт: привязав к нитке небольшую гирьку, заставим ее совершать колебания. По секундной стрелке часов заметим тот момент, когда гиря пройдет через положение равновесия, и, отсчитав 20 качаний, узнаем, сколько для этого требуется времени. Затем, толкнув гирю посильнее, увеличим размах ее колебаний. Окажется, что и при большем размахе для 20 колебаний потребуется ровно столько же времени. В нашем опыте гирька совершала свободные колебания, и мы убедились, что частота свободных, или, как говорят, собственных, колебаний тела не зависит от размаха, или, что то же, от амплитуды колебаний.

Но от чего же зависит частота собственных колебаний?

Достаточно укоротить или удлинить нить, на которой висит гиря, как частота собственных колебаний гирьки изменится. Чем короче подвес, тем больше будет частота колебаний.

Каждое колеблющееся тело обладает характерной для него частотой собственных колебаний. Так, например, если толкнуть качели, они начнут раскачиваться с совершенно определенной частотой. Подталкивая их, можно увеличить размах качаний. Чтобы сделать размах качаний особенно большим, надо, как вы знаете, подталкивать качели «в такт» их колебаниям, то есть с той частотой, с которой они совершают колебания, будучи предоставлены самим себе. Эту частоту называют резонансной частотой. Всякое колеблющееся тело имеет свою собственную резонансную частоту. В тех случаях, когда вызывающая колебания сила изменяется с резонансной частотой, размах совершаемых телом колебаний делается особенно большим. История знает случай, когда небольшой отряд солдат, проходя по мосту и четко отбивая шаг, случайно попал в резонанс с колебаниями моста, В результате резонанса колебания моста настолько возросли, что мост разрушился.

Если смену электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки производить с резонансной частотой, то при том же самом электрическом напряжении размах колебаний возрастет и мощность ультразвука увеличится.

Каждая пластинка имеет свою собственную резонансную частоту.

Чем тоньше пластинка, тем выше ее резонансная частота. У пластинки толщиной в 1 миллиметр она составляет 2,88 миллиона колебаний в секунду, а при толщине 0,5 миллиметра — 5,76 миллиона колебаний в секунду. Можно изготовить пластинку тоньше папиросной бумаги. Резонансная частота такой пластинки будет очень велика, но столь тонкие пластинки очень непрочны, и их редко употребляют.

Итак, мы видим, что для получения ультразвука исключительно большое значение имеют пластинки, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Поэтому посвятим несколько слов тем материалам, из которых они изготовляются.

На помощь природе

Кварц является одним из самых распространенных минералов. Обычный песок состоит из маленьких крупинок кварца. Часто встречается кварц и в булыжнике, которым до сих пор еще мостят дороги. Если песок нагреть до очень высокой температуры, то он сплавится, образуя прозрачное кварцевое стекло, которое широко применяется в химических лабораториях.

Казалось бы, недостатка в материале для постройки излучателей ультразвука нет.

На самом деле это не так.

Кварцевое стекло пьезоэлектрическими свойствами не обладает и потому не может быть использовано для устройства излучателей ультразвуковых волн.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только кристаллы кварца; но крупные кристаллы этого минерала встречаются очень редко, и пластинки с большой поверхностью поэтому дороги.

Замечательным достижением науки является разработанный недавно способ искусственного выращивания больших кристаллов кварца. Выяснилось, что их можно выращивать так же, как выращивают кристаллы поваренной соли, квасцов и других растворимых в воде веществ.

На первый взгляд может показаться странным, каким образом из такого стойкого, нерастворимого в воде материала, как песок или булыжник, выращивают красивые кристаллы горного хрусталя — кварца. Конечно, при обычных условиях это сделать невозможно.

Для этого в специальный толстостенный сосуд, наполненный водным раствором некоторых химических веществ, подвешивают на нити палочку из кварцевого стекла, а ниже помещают маленький кристаллик кварца (рис. 8). Сосуд закрывается, и температура в нем поднимается несколько выше 350° C; при этом давление в сосуде сильно возрастает.

Рис. 8. Сосуд для выращивания кристаллов кварца

При таких условиях палочка из кварцевого стекла растворяется в воде, а молекулы кварца, перешедшие в раствор, вновь выделяются на кристаллике, увеличивая его размеры. Часть растворенного кварца оседает на стенках сосуда, покрывая их слоем маленьких кристалликов. Примерно за 18 часов палочка успевает полностью раствориться. После этого сосуд открывают и подвешивают туда новую палочку. Повторяя подобную операцию 4–5 раз, удается вырастить кристалл размером в несколько сантиметров; такие кристаллы уже пригодны для изготовления пьезоэлектрического излучателя.

Дальнейшее усовершенствование этого способа позволит изготовлять кварцевые пластинки еще бóльших размеров.

Для устройства излучателя ультразвука могут применяться также кристаллы сегнетовой соли, фосфата аммония и некоторых других веществ.

Кроме того, недавно советские физики получили новые вещества, так называемые титанаты, обладающие огромным пьезоэлектрическим эффектом. Особенно большие перспективы имеет использование для получения ультразвука титаната бария. Титанат бария не обладает от природы пьезоэлектрическими свойствами, но ему их можно придать, так же как сталь, не являющуюся естественным магнитом, можно намагнитить и приготовить из нее искусственный магнит.

Поскольку пьезоэлектрические свойства титаната бария создаются искусственно, мы можем приготовить излучатель любой формы и заставить его совершать необходимые нам колебания.

Например, из титаната бария можно изготовить трубу и добиться того, чтобы ультразвуковые волны, излучаемые стенками этой трубы, направлялись внутрь нее.

Таким образом, заставив стенки трубы колебаться, мы подвергнем протекающую по ней жидкость действию мощных ультразвуковых волн.

На рис. 9 изображен излучатель из титаната бария в форме цилиндра. Острие, которым снабжен с одного конца цилиндр, концентрирует ультразвуковые колебания, делая их очень интенсивными. Смещение острия этого вибратора во время колебаний составляет уже около 5 тысячных долей миллиметра.

Рис. 9. Излучатель из титаната бария

В то время когда Ланжевен конструировал свой прибор, выращивать искусственные кристаллы кварца еще не умели. Не знали и об удивительных свойствах титаната бария. Приходилось довольствоваться небольшими кристаллами кварца, которые встречались в природе.

Стремясь получить резко ограниченный ультразвуковой луч, который легко направлять, Ланжевен наклеил на стальной лист целую мозаику из небольших кварцевых пластинок, а сверху положил второй стальной лист, получив излучатель, изображенный на рис. 10. Теперь для того, чтобы получить мощный ультразвуковой луч, осталось только подвести к пластинкам разноименные электрические заряды, знаки которых непрерывно менялись бы.

Рис. 10. Ультразвуковой излучатель Ланжевена

Как построить ультразвуковой генератор

Автоматическое изменение знаков зарядов на поверхностях кварцевой пластинки в наше время достигается тем, что ее присоединяют к ламповому генератору, такому же, как генераторы, используемые при радиопередаче.

Схема простого пьезоэлектрического генератора изображена на рис. 11.

Рис. 11. Схема пьезоэлектрического генератора:

1 — лампа; 2 — сопротивление; 3 и 4 — конденсаторы; 5 — батарея; 6 — кварцевая пластинка

Если нужно получить ультразвук с частотой от 500 тысяч до одного миллиона колебаний в секунду, то катушку АС надо изготовить диаметром приблизительно 80 миллиметров и намотать медной проволокой с поперечником 2–3 миллиметра. Между точками А и В наматывают 3 витка, а между точками В и С — 6 витков. Расстояние между витками приблизительно 4 миллиметра. Кварцевая пластинка 6 располагается на металлическом основании, которое соединяется с клеммой K_1; сверху пластинка покрывается тонкой алюминиевой фольгой, которая прижимается к пластинке легкой пружинкой. Пружинку соединяют с клеммой K_2. Необходимо следить за тем, чтобы пружинка не соприкасалась с основанием.

Высокое электрическое напряжение, которое подводится к граням пластинки, иногда вызывает электрический разряд в форме искры, бегущей по краю пластинки. Для того чтобы избежать возникновения искры, пластинку обычно помещают в жидкость с высокими изоляционными свойствами, например в трансформаторное масло.

При мощных колебаниях кварцевой пластинки над поверхностью масла образуется фонтан, как на рис. I, в.

Если же необходимо получить особенно мощный ультразвук, кварцевой пластинке придают форму вогнутого зеркала. Вогнутый излучатель собирает в одну точку, концентрирует звуковую энергию, и в небольшом пространстве удается получить такие мощности, которые трудно себе даже представить (рис. I, г).

Если силу паровозного гудка принять для сравнения за единицу, то сила ультразвука в той точке, в которой он концентрируется вогнутой кварцевой пластинкой, будет выражаться единицей с девятью нулями, то есть превышать силу паровозного гудка в миллиард раз.

Изменения давления в этой точке составят 120 атмосфер. Однако изготовление подобных излучателей весьма сложно и стоимость их высока.

В приборе Ланжевена вращающийся с постоянной скоростью моторчик подключал через определенные промежутки времени к вибратору высокое электрическое напряжение и заставлял прибор посылать в океан короткий ультразвуковой сигнал.

Теперь оставалось только научиться обнаруживать слабые ультразвуковые эхо-сигналы, которые вернутся, отразившись от какого-либо препятствия.

Как «услышать» неслышимые звуки

Талантливый русский физик Петр Николаевич Лебедев использовал для обнаружения неслышимых звуков их способность оказывать давление на предметы, которые встречаются на пути ультразвуковых волн. Это давление очень мало, и для измерения его пользуются специальным чувствительным прибором — ультразвуковым радиометром (рис. 12).

Рис. 12. Радиометр

Ультразвуковой радиометр устроен следующим образом: к тончайшей проволочке припаивается перекладинка, несущая с одной стороны легкое слюдяное крылышко. Проволочка натягивается вертикально. Падающая на крылышко ультразвуковая волна оказывает на него давление. Крылышко отклоняется, и проволочка слегка закручивается. Чем сильнее звук, тем больше давление и тем на больший угол отклоняется крылышко.

Для того чтобы следить за поворотом крылышка, к проволочке в том месте, где припаяна перекладина, прикрепляется маленькое зеркало. Если отбросить с помощью этого зеркальца световой зайчик, то самые незначительные повороты крылышка будут вызывать заметные перемещения зайчика. Следя за движениями зайчика, можно по появлению смещения обнаружить ультразвук, а по величине смещения определить его мощность.

Чтобы оградить радиометр от влияния не видимых глазу потоков, которые всегда существуют в воздухе, его помещают в специальную камеру. Ультразвуковые колебания проходят в эту камеру через окошко, заклеенное тончайшей папиросной бумагой.

Хотя радиометром и сейчас пользуются в лабораторных исследованиях, однако для практического применения, которое интересовало Ланжевена, а именно для регистрации ультразвуковых эхо-сигналов, свидетельствующих об обнаружении подводных лодок, радиометр, очень чувствительный к любому сотрясению, не годился, и Ланжевен использовал для этой цели тот же самый излучатель, который посылал на разведку ультразвуковой луч.

Послав сигнал, излучатель автоматически переключался на прием и «слушал», не придет ли эхо. Упавшая на кварцевый вибратор ультразвуковая волна вызывала появление на нем электрических зарядов, которые после усиления с помощью специального прибора могли быть обнаружены. Подобный пьезоэлектрический приемник ультразвука отличается высокой чувствительностью (рис. 13).

Рис. 13. Пьезоэлектрический приемник ультразвука

Так, настойчивость ученых преодолела многочисленные препятствия. В результате напряженной работы прибор, предназначенный для обнаружения подводных лодок, так называемый ультразвуковой гидролокатор, был создан.

Нужно сказать, что современные ультразвуковые гидролокаторы сильно отличаются от прибора, построенного Ланжевеном; в них в качестве источника ультразвука используются обычно не пьезоэлектрические генераторы, а магнитострикционные. Что же это за генераторы?

Почему гудят трансформаторы?

Трансформатор является одним из очень распространенных электрических приборов. Простейший трансформатор представляет собой две катушки изолированной проволоки, надетые на общий железный сердечник.

Если по обмотке трансформатора течет переменный ток сравнительно большой силы, то можно часто слышать звук низкого тона, идущий от сердечника трансформатора.

Гудение трансформатора объясняется тем, что некоторые металлы, а также и сплавы обладают способностью при намагничивании изменять свои размеры.

Особенно сильно это свойство, называемое магнитострикцией, проявляется у железа, никеля и у их сплавов. Исключительно велик магнитострикционный эффект у сплава «пермендюр», состоящего из 49 процентов железа, 49 процентов кобальта и 2 процентов ванадия.

Приготовив пакет пластин из магнитострикционного материала со специальными прорезами, служащими для размещения обмотки из изолированной проволоки, и пропустив по проволоке переменный ток, сила которого периодически то возрастает, то убывает, мы заставим пакет попеременно намагничиваться и размагничиваться. Размеры пакета будут при этом периодически изменяться (рис. 14).

Рис. 14. Магнитострикционный излучатель

При изменении размеров пакета, так же как при колебании кварцевой пластинки, в окружающем воздухе образуются попеременные сжатия и разрежения — возникает звуковая волна. Если частота переменного тока невелика, звук будет слышимым, как это имеет место при гудении трансформаторов. Увеличивая частоту переменного тока, получим ультразвуки. Именно так они и получаются в магнитострикционных генераторах.

Можно заставить совершать магнитострикционные колебания и полый стержень, поместив его в катушку из изолированной проволоки, по которой протекает переменный ток.

Для увеличения размаха колебаний магнитострикционный излучатель, так же как и кварцевую пластинку, заставляют изменять размеры с резонансной частотой.

Резонансная частота колебаний стержня зависит от его длины. Чем короче стержень, тем выше его резонансная частота.

Пропустив конец стержня через пробку, вставленную в дно сосуда, наполненного жидкостью, можно получить в ней ультразвуковую волну высокой частоты (рис. 15).

Рис. 15. Магнитострикционный излучатель в сосуде

При мощных магнитострикционных колебаниях стержень так быстро нагревается, что его приходится специально охлаждать. Мощный магнитострикционный вибратор изображен на рис. 16. Диаметр подобного вибратора составляет приблизительно полметра.

Рис. 16. Мощный магнитострикционный вибратор

Магнитострикционные и пьезоэлектрические генераторы ультразвука взаимно дополняют друг друга. Как первые, так и вторые являются источниками ультразвука, частота которого в подавляющем большинстве случаев совпадает с резонансной частотой излучателя, в первом случае — металлического стержня, во втором — кварцевой пластинки.

Изготовить магнитострикционный генератор с очень коротким стерженьком трудно. А так как резонансная частота длинных стерженьков сравнительно невелика, магнитострикционные генераторы используются для получения ультразвука малой частоты, приближающейся к частотам слышимых звуков. Наоборот, пьезоэлектрические генераторы дают возможность получать высокочастотные ультразвуковые волны. Кроме того, пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы сильно различаются конструктивно. Поэтому используются оба вида генераторов. В одних случаях более удобен магнитострикционный, в других — пьезоэлектрический.

Надежный разведчик

С помощью гидролокатора можно не только обнаружить подводную лодку, мель или айсберг, но и точно определить их местоположение.

Для целей гидролокации пользуются ультразвуком с частотой в среднем от 15 до 30 тысяч колебаний в секунду.

Продолжительность каждого отдельного сигнала приблизительно 0,1 секунды.

Момент посылки сигнала отмечается на экране особого аппарата, называемого осциллографом (рис. 17), появлением пилообразного изгиба светящегося лучика.

Рис. 17. Осциллограф

Сигнал послан. Специальное реле (рис. 18) подключает излучатель к приемному устройству, и гидролокатор в течение некоторого времени ждет прихода отраженного сигнала.

Рис. 18. Схема устройства гидролокатора

Если эхо-сигнал приходит, то особый прибор сначала усиливает его, затем превращает неслышимые ультразвуковые сигналы в обычные звуки, которые прослушиваются с помощью репродуктора.

Одновременно принятые сигналы подаются также на осциллограф, на экране которого появляется второй пилообразный изгиб луча.

Чем больше промежуток времени между посылкой и приемом сигнала, тем дальше будут отстоять друг от друга изгибы луча на экране осциллографа. Поместив на экране прозрачную линейку с нанесенным на нее масштабом, можно, взглянув на прибор, сразу узнать расстояние до препятствия, отразившего сигнал.

Излучатель обычно помещается в специальный кожух и устанавливается под днищем корабля. Вращаясь, излучатель как бы «осматривает горизонт» (рис. 19).

Рис. 19. Установка гидролокатора на корабле:

1 — отсек гидроакустики; 2 — устройство, выдвигающее излучатель; 3 — излучатель: А — рабочее положение; Б — излучатель поднят

Наблюдение за отраженным сигналом с помощью осциллографа позволяет определить, на каком расстоянии от излучателя находится предмет, обнаруженный гидролокатором.

Однако когда корабль движется и расстояние между наблюдателем и обнаруженным препятствием непрерывно изменяется, по виду возникающего на экране эхо-сигнала бывает невозможно определить, что же именно является причиной его появления. Это может быть или подводная лодка, или морская скала, а в некоторых случаях и большая рыба.

Ответить на этот важный вопрос часто помогает прослушивание отраженного сигнала, превращенного в слышимый звук.

Опытный наблюдатель по звуку отраженного сигнала может сделать много ценных заключений. Так, например, он может определить, движется ли отразившее сигнал препятствие, или оно неподвижно, а если движется, то приближается или удаляется. Узнать это помогают наблюдателю изменения тона звука.

Все вы, наверное, замечали, что тон паровозного свистка кажется выше, когда паровоз приближается к нам, и ниже, когда паровоз удаляется.

Объясняется это очень просто. Предположим, что в тот момент, когда машинист включил свисток, паровоз отделяют от наблюдателя 332 метра. Как мы уже знаем, звук свистка представляет собою чередующиеся сжатия и разрежения воздуха. Именно они, попадая в ухо, и вызывают ощущение звука.

Тон звука определяется числом сжатий или разрежений воздуха за одну секунду.

Пусть свисток создает двести сжатий в секунду. Если паровоз и наблюдатель неподвижны, то сжатия следуют одно за другим через каждую двухсотую часть секунды и вызывают у человека ощущение звука определенного тона.

Если же паровоз приближается к наблюдателю, положение изменяется. Первому сжатию, чтобы дойти до наблюдателя, потребуется одна секунда, а следующему — уже меньший промежуток времени, поскольку за истекшее время паровоз приблизится к наблюдателю. Это будет справедливо и для последующих сжатий, благодаря чему за секунду к наблюдателю придет более двухсот сжатий, то есть частота колебаний увеличится и тон звука повысится.

Если паровоз будет удаляться, то второму сжатию придется пройти больший путь, чем первому, и промежуток времени, разделяющий их, увеличится. За одну секунду в ухо наблюдателя поступит меньше 200 сжатий — тон звука понизится.

Чем быстрее движется паровоз, тем заметнее изменение тона, происходящее в тот момент, когда приближающийся источник звука проходит мимо нас и начинает удаляться.

Именно такое изменение тона эхо-сигнала позволяет гидроакустику определить характер движения предмета, отразившего посланный сигнал. Следя за тем, как сначала нарастает, а потом замирает отраженный сигнал, опытный наблюдатель может составить себе представление о характере обнаруженного в море препятствия.

Дальность действия гидролокатора колеблется от нескольких сотен метров до нескольких километров, в зависимости от условий, которые существуют в воде в момент наблюдения. Основное значение при этом имеет разница температур различных слоев воды, вызывающая искривление пути звукового луча. Ультразвуковой сигнал распространяется в этих условиях не прямолинейно, а по кривой, отклоняясь в сторону более холодных слоев. Мешают также и мельчайшие воздушные пузырьки, выделяемые бесчисленными микроорганизмами, живущими в морской воде. Слои воды, насыщенные воздушными пузырьками, сильно поглощают звук, а в некоторых случаях и отражают звуковой сигнал.

Приборы, сходные с гидролокатором, могут применяться для установления подводной связи, например, между двумя погруженными подводными лодками.

С помощью ультразвука можно передавать сигналы и в воздухе. Правда, в этом случае дальность передачи сильно снижается из-за быстрого затухания ультразвука.

Было предложено использовать ультразвуковые локаторы для ориентировки при движении транспорта в тумане, однако широкого распространения эти приборы пока не получили. Ультразвуковое локирование[1] в воздухе было успешно применено в горном деле для контроля вертикальности шахтных стволов. Ультразвуковой локатор устанавливается в шахтной клети и при ее движении автоматически регистрирует профиль шахтного ствола. Средняя ошибка при контроле вертикальности ствола с помощью ультразвука составляет около 14 миллиметров.

Механический сторож

В одной из арабских сказок описывается волшебная дверь, которая открывалась только в ответ на слова: «Сезам, откройся!» С помощью ультразвука можно делать еще более удивительные вещи. Например, можно устроить так, чтобы двери гаража открывались сами собой при приближении автомобиля.

Для этого на автомобиле устанавливается ультразвуковой излучатель, посылающий при приближении к гаражу неслышимый сигнал. Этот сигнал воспринимается специальным аппаратом, который включает механизм, открывающий двери. При приближении любого другого автомобиля, не имеющего ультразвукового сигнализатора, двери останутся закрытыми.

Ультразвуковой аппарат, если потребуется, может зорко охранять помещение и в этом отношении имеет определенные преимущества по сравнению со всеми другими аппаратами, предназначенными для той же цели. В охраняемом с помощью ультразвука помещении можно обнаружить любое возникшее в нем движение. Для этого помещение наполняется ультразвуковыми волнами, распространяющимися во всех направлениях и многократно отражающимися от различных предметов, находящихся в помещении. Если в помещении отсутствует движение, то все возникающие эхо-сигналы имеют одну и ту же частоту колебаний. Не то будет, если в комнате появится движущийся предмет. Эхо, возникшее при отражении от движущегося предмета, будет по частоте отличаться от остальных эхо-сигналов. Специальный высокочувствительный приемник эхо-сигналов, установленный в той же комнате, сейчас же реагирует на возникновение колебаний иной частоты включением сигнализации, оповещающей о наличии в комнате движения. Один из американских журналов поместил следующее сообщение. Большой ювелирный магазин был ограблен, несмотря на наличие обычной электросигнализации. Грабители проникли в магазин не через окна или двери, где были установлены сигнальные аппараты, а разобрав кирпичную стену магазина. После этого владелец магазина установил ультразвуковую сигнализацию, и спустя несколько месяцев ультразвук помог задержать грабителей, опять проникших в магазин, теперь уже через потолок. Преступники возражали против задержания, утверждая, что оно сделано «не честно», так как они приняли все меры против обычной сигнализации, которая и бездействовала, а об ультразвуках они, мол, ничего не слыхали.

В настоящее время ультразвуковая сигнализация позволяет охранять большие помещения, объемом больше тысячи кубических метров. Ультразвуковой сигнализацией можно воспользоваться на некоторых заводах, чтобы избежать попадания людей в зону, почему-либо опасную для жизни, или такую, где находиться запрещено.

Описанные ультразвуковые сигнализаторы автоматически оповещают о возникновении пожара. Восходящий от пламени подвижный столб теплого воздуха прекрасно отражает ультразвуковые волны, создавая эхо-сигналы с частотой, отличной от частоты основных сигналов. В Америке на предприятиях, где была установлена ультразвуковая сигнализация, уже зарегистрировано несколько случаев предупреждения пожаров.

Однако тем, что мы рассказали, далеко не исчерпываются возможности, открывшиеся перед человеком после того, как он узнал свойства ультразвуков. В результате использования особенностей неслышимых звуков становятся реальностью самые смелые мечты.

Ультразвуковой эхолот

Читатель, наверное, помнит, сколько хлопот доставила героям известной сказки «Конек-Горбунок» необходимость извлечь со дна моря сундучок с перстнем царь-девицы. Самое трудное было найти его. Если бы не ерш, так бы и оставаться сундучку на дне морском.

В наше время легко можно было бы отыскать пропажу с помощью ультразвука.

Автоматический прибор, называемый ультразвуковым эхолотом, позволяет не только измерить глубину океана и исследовать рельеф морского дна, но и обнаружить там какой-либо предмет.

Эхолот очень похож на гидролокатор.

Рис. 20. Схема работы эхолота

Ультразвуковой магнитострикционный вибратор 4 (рис. 20), укрепленный в корпусе корабля, через определенные промежутки времени, обычно один раз в секунду, посылает короткий сигнал, который автоматически регистрируется на специальной ленте. В эхолоте все операции автоматизированы. Когда ультразвук, достигнув морского дна и отразившись, приходит обратно, эхо-сигнал принимается магнитострикционным приемником 3, проходит через усилитель 2 и регистрируется на ленте. Таким образом, на движущейся ленте возникают две линии: одна — О — соответствует излучениям сигналов, то есть дну корабля, вторая — Д — приходу эхо-сигнала, то есть дну моря. Чем больше расстояние между этими линиями, тем больше глубина моря в той точке, в которой производилось измерение. Нанеся на ленту специальный масштаб, можно отсчитывать глубину моря в метрах. Такая запись глубин называется батиграммой.

Современные эхолоты устроены так, что на специальной шкале в той ее точке, которая соответствует глубине моря под кораблем, зажигается неоновая лампочка. Взглянув на эту шкалу, штурман всегда может узнать, какова глубина моря в том месте, где находится корабль. Эхолот не только предупреждает о наличии скал и мелей, но и позволяет определить местонахождение корабля. В настоящее время составлены очень подробные карты морских глубин. Пользуясь подобной картой и батиграммой, можно определить положение корабля даже тогда, когда сделать это другим способом почему-либо невозможно.

С помощью эхолота было найдено одно из самых глубоких мест в море — морская пучина в Тихом океане глубиной 10 860 метров.

Преимуществом ультразвуковых эхолотов является то, что ими можно производить измерения почти при любой погоде, не уменьшая скорости корабля, и измерять как очень большие, так и совсем малые глубины.

Точность, с какою эхолот определяет рельеф морского дна, настолько велика, что с его помощью можно отыскивать затонувшие корабли. На рис. 21 изображен записанный с помощью эхолота контур затонувшего на глубине 100 метров корабля «Лузитания».

Рис. 21. Силуэт «Лузитании»

Большое хозяйственное значение имеет применение эхолотов в рыбном промысле.

Наполненные воздухом плавательные пузыри рыб хорошо отражают ультразвуковые сигналы, а это дает возможность, пользуясь эхолотом, обнаруживать косяки рыб. На рис. 22 изображена лента эхолота, на которой записан обнаруженный косяк сельди. Верхняя граница 1 соответствует поверхности моря. Нижняя зигзагообразная линия 2 соответствует морскому дну. Записанная эхолотом линия 3, расположенная между дном и поверхностью моря, возникла в результате отражения ультразвука от косяка сельди. Подобная запись позволяет сделать заключение не только о расположении косяка, но и о его размерах.

Рис. 22. Запись эхолотом косяка сельди

Используя ультразвук для отыскания рыбных косяков, удается значительно увеличить улов, одновременно сократив продолжительность рыболовной экспедиции.

Несомненно, что в ближайшем будущем эхолот будет еще шире применяться в рыбном промысле.

В гидролокаторах и эхолотах ультразвук обнаруживается по тому действию, которое он оказывает на специальный приемник.

В настоящее время разработано несколько способов, с помощью которых можно сделать ультразвуковые волны еще и видимыми, что дает возможность следить за ходом ультразвукового луча.

Ультразвуковые волны делаются видимыми

В жаркий летний день можно наблюдать поднимающиеся над шоссейной дорогой струйки воздуха, нагревшегося от поверхности земли. Струйки сделались видимыми благодаря расширению воздуха при нагревании, которое привело к уменьшению его плотности, а последнее — к изменению оптических свойств, к уменьшению коэффициента преломления. По той же причине были бы видимы струйки сжатого воздуха, плотность которого больше, чем плотность окружающего воздуха.

Такие же явления наблюдаются и в жидкостях. Налейте в стакан теплой воды и, расположив позади стакана книгу, добавьте осторожно холодной и, следовательно, более плотной воды. Сейчас же возникнут струйки с иными оптическими свойствами. Наличие этих струек приведет к тому, что буквы на странице, рассматриваемой через стакан с водой, покажутся нам колеблющимися, расплывающимися.

Если осветить стакан свечой, то на теневом изображении эти струйки будут ясно различимы.

При распространении звуковой волны происходят, как мы знаем, попеременные сжатия и разряжения воздуха, то есть изменения, аналогичные тем, о которых мы говорили в предыдущем опыте. Следовательно, теневое изображение звуковой волны можно получить так же, как изображение водяных струй, температура которых различна. При этом надо только помнить, что в проходящей звуковой волне сжатия и разрежения чередуются чрезвычайно быстро. Если мы хотим получить изображение волны, то должны осветить ее в течение очень короткого промежутка времени, пока распределение давления не успело значительно измениться. Практически для получения изображения звуковых волн пользуются прерывистым светом, который вспыхивает с той же частотой, с какой колеблется кварцевая пластинка. Вспышки света совпадают при этом с одним и тем же положением колеблющейся пластинки, так что изображение звуковой волны на экране как бы «застывает» и получается четким.

Заменив экран фотографической пластинкой, звуковую волну можно сфотографировать.

Эти особенности волн позволили советским ученым С. Н. Ржевкину и С. И. Кречмеру применить ультразвуки для изучения на моделях акустических свойств различных построек: концертных залов, аудиторий и т. п.

На рис. 23 изображено распространение волны, на пути которой расположена колонна. Хорошо видна «акустическая тень»— темное место за колонной. В зоне акустической тени звук будет ослаблен. Таким методом можно решать самые различные задачи архитектурной акустики.

Изучая на небольшой модели акустические свойства проектируемого концертного зала или театра, нельзя пользоваться обычными звуковыми волнами. Поведение волны, проходящей через отверстие в преграде или встречающей на своем пути препятствие, как мы уже знаем, определяется соотношением между длиною волны и размерами отверстия или препятствия. Поэтому при моделировании необходимо уменьшить длину волны звука пропорционально уменьшению размеров сооружения. Применяя ультразвуковые волны, длина которых очень мала, можно делать и модели небольших размеров.

Но как же получить прерывистое освещение такой большой частоты, которая соответствовала бы частоте ультразвуковых волн?

Рис. 23. Акустическая тень от колонны

Если изменение яркости света должно происходить не слишком быстро, то можно воспользоваться обычной электрической лампочкой, изменяя напряжение питающего тока. Там же, где яркость света должна меняться очень быстро, способ этот непригоден, так как за короткий промежуток времени раскаленная нить лампочки не будет успевать охлаждаться и яркость света будет оставаться практически постоянной.

Для электрического освещения обычно пользуются переменным током, напряжение которого 100 раз в секунду уменьшается до нуля, и все же никаких изменений в яркости света при этом не наблюдается. Даже за этот большой по сравнению с продолжительностью ультразвуковых колебаний промежуток времени нить не успевает охладиться.

Необходимость быстро изменять, или, как говорят, модулировать, силу света часто возникает в технике: при записи звука, в телевидении, при изучении работы быстродвижущихся частей машин и т. д.

Решить эту важную задачу можно опять-таки с помощью ультразвука.

Рис. 24. Схема ультразвукового модулирования света

Для быстрых изменений яркости света можно воспользоваться изменением оптических свойств вещества при распространении ультразвука. На рис. 24 изображена одна из возможных схем ультразвукового модулирования света. Световые лучи, расходящиеся от источника света Л, линзой О_1 превращаются в параллельный пучок лучей, который, пройдя через стеклянную ванночку K, собирается линзой О_2 в фокусе Ф. Экран Э преграждает лучам дальнейший путь. Ванночка K наполнена прозрачной жидкостью, в которой находится пьезоэлектрическая пластинка. Если заставить пластинку совершать колебания и создать в жидкости ультразвуковую волну, то жидкость сделается оптически неоднородной. Оптическая неоднородность жидкости заставит световые лучи изменить свой путь. Некоторая часть лучей уже не соберется в фокусе Ф и не будет поэтому задержана экраном. Чем больше будет интенсивность ультразвука, тем больше лучей минует экран. Интенсивность ультразвука в свою очередь зависит от электрического напряжения, которое подводится к пьезоэлектрическому излучателю. Изменяя электрическое напряжение, можно менять интенсивность ультразвуковых колебаний и, следовательно, модулировать яркость освещения за экраном.

Недавно модулирование света с помощью ультразвука использовали в сигнализаторе для передачи секретных донесений. Изменения силы света, вызываемые ультразвуковыми колебаниями, посылались наблюдателю, вооруженному телескопом. В телескопе световые лучи падали на фотоэлемент, превращавший их в электрический ток. Чем больше была сила света, тем сильнее был ток. Изменения в силе тока позволяли расшифровать принятый сигнал. Днем сигналы можно было передавать километра на три, а ночью — почти на пять.

С помощью ультразвука можно получить очень мощный луч света переменной силы, изменяющийся почти с любой частотой.

Заставив такой луч бежать по экрану, прочерчивая строку за строкой, можно получить телевизионное изображение.

Видимые изображения отраженных от препятствия и прошедших через него ультразвуковых волн позволяют по их интенсивности сделать заключение о поглощении звука разными материалами.

Как показал опыт, изучение различных волновых процессов на моделях позволяет детально разобраться в происходящих при этом явлениях.

Фотографируя наблюдаемую картину и рассматривая полученные фотографии, мы ясно различаем идущую от источника волну, ее встречу с препятствием, возникновение отраженной волны, взаимодействие последней с падающей волной и т. д. Эти особенности ультразвука имеют большое значение для преподавания физики в школе. Таким способом можно показать учащимся законы распространения звуковых и ультразвуковых волн, сделать преподавание более наглядным и убедительным. Добиться этого, не прибегая к неслышимым звукам, трудно, а иногда и вообще невозможно.

Глава 3.

УЛЬТРАЗВУК И ЖИВЫЕ СУЩЕСТВА

Загадка летучих мышей

Сами того не подозревая, мы в повседневной жизни постоянно сталкиваемся с неслышимыми звуками.

Сконструировав чувствительные приемники ультразвука, ученые обнаружили, что даже привычные для нас звуки, как, например, телефонный звонок, тикание часов, шум самолета, содержат наряду с обычными слышимыми звуками также и неслышимые ультразвуки.

Расположив в лесу специальные приборы, исследователи обнаружили, что погруженный в ночную тишину как бы уснувший лес в действительности наполнен не воспринимаемыми человеческим ухом писком и криками его многочисленных обитателей.

Хорошо воспринимают, «слышат» ультразвуки некоторые домашние животные.

Ультразвуки не очень большой частоты «слышат» кошки. На самых различных языках кошек подзывают своеобразным сочетанием звуков — «кс, кс». Как оказалось, это сочетание содержит не только воспринимаемые ухом колебания, но и ультразвуки.

Недавно удалось обнаружить, что белые мыши также издают ультразвуковые сигналы, не слышимые человеческим ухом. Предполагают, что этот неслышимый писк мыши используют для общения между собой.

Чувствительны к ультразвукам некоторые виды птиц. Было даже предложено использовать ультразвуковые установки для отпугивания чаек, загрязняющих водоемы с пресной водой.

Особенно обстоятельно изучена роль ультразвуков в жизни летучих мышей. Летучие мыши обладают очень плохим зрением, но это не мешает им прекрасно ориентироваться и без промаха ловить на лету мелких насекомых, которыми они питаются.

Можно было предположить, что при поисках пищи мыши руководствуются не зрением, а прекрасно развитым слухом, однако оставалось совершенно непонятным, каким образом летучая мышь обнаруживает в темноте даже такие небольшие препятствия, как тонкие ветки деревьев или телеграфные провода, расположенные на ее пути.

Еще двести пятьдесят лет назад итальянский ученый Спалланцани впервые внимательно изучил эти особенности летучих мышей. Стремясь выяснить, какой именно из органов чувств помогает летучей мыши находить направление в полете, он поочередно лишал ее зрения, вкуса, обоняния и осязания. Оказалось, что слепая мышь так же хорошо летает, как и зрячая. Лишение ее обоняния, вкуса и осязания тоже ничего не изменило. Оставалось предположить, что мышь ориентируется по слуху. И действительно, достаточно было заткнуть ей уши, чтобы мышь начала беспомощно метаться из стороны в сторону, натыкаясь на различные предметы.

Эти опыты наглядно показали, что из всех органов чувств именно слух дает возможность мыши определять путь своего полета. Но ведь правильно ориентироваться с помощью слышимых звуков, распространяющихся сразу во всех направлениях, нельзя! Так эта загадка летучих мышей и оставалась неразрешенной до наших дней.

Когда была установлена способность неслышимых звуков распространяться узким лучиком, позволяющим обнаруживать предметы на его пути, у ученых возникла мысль: не ультразвук ли заменяет летучей мыши зрение?

С помощью специальных пьезоэлектрических приемников удалось доказать, что летучая мышь во время полета издает через определенные промежутки времени короткие ультразвуковые сигналы. Эти сигналы удалось даже записать на пленку. Остроумными опытами ученые убедились и в том, что летучая мышь слышит издаваемые ею ультразвуки.

Соотношение длины волны и размеров открытого рта летучей мыши, который является излучателем ультразвука, таково, что делает сигнал, посылаемый ею, направленным подобно сигналам гидролокатора.

Когда мышь неподвижна, она посылает 5–10 сигналов в секунду. В полете же кричит чаще, издавая в среднем 30 сигналов в секунду.

Послав на разведку ультразвуковой сигнал, мышь чутко прислушивается, улавливая своими огромными ушами приход эха посланного ею сигнала. Как только эхо доходит до нее, она издает следующий сигнал. Чем ближе препятствие, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще кричит мышь. На расстоянии 20 метров от препятствия она издает около 8 сигналов в секунду и увеличивает их число до 60, подлетая к препятствию на расстояние в 1 метр. Внимательное наблюдение за поведением летучих мышей убедило ученых в том, что мыши пользуются для ориентировки не только оценкой времени, которое требуется для возвращения эхо-сигналов, возникших при отражении от препятствия, как это делается в гидролокаторах, но и усилением сигналов по мере приближения к препятствию. Чем ближе подлетает мышь к препятствию, тем более интенсивными делаются приходящие от него эхо-сигналы.

В последние годы было обнаружено, что некоторые породы летучих мышей пользуются одновременно обоими способами ориентировки.

Однако ультразвуки в воздухе быстро затухают, и это сильно ограничивает способность летучих мышей ориентироваться, сужает их «горизонт». Вероятно, они не могут обнаруживать предметы, удаленные больше чем на 20 метров.

Ослабление ультразвука с расстоянием увеличивается при увеличении частоты колебаний. Поэтому чем выше частота колебаний ультразвукового сигнала, посылаемого летучей мышью, тем ỳже ее «горизонт». Вот почему некоторые мыши для ориентировки издают два вида сигналов: сигналы относительно низкой частоты, примерно до 50–70 тысяч колебаний в секунду, для грубой ориентировки на большом расстоянии, и сигналы в два раза большей частоты для детального обследования предметов, расположенных в непосредственной близости.

Воспроизведя специальными излучателями сигналы, какие обычно посылает летучая мышь, исследователи обнаружили, что ночные бабочки и некоторые другие насекомые, которыми питаются летучие мыши, также воспринимают, «слышат» ультразвуки. Когда на бабочек, например, направили ультразвуковой луч, поведение их резко изменилось: спокойно летящая бабочка бросилась в сторону, как бы обращаясь в бегство, другая, неожиданно сложив крылышки, как мертвая, упала на землю.

Несомненно, такая чувствительность к ультразвуку является защитным приспособлением этих насекомых.

Разнообразные исследования, имевшие целью выяснить роль ультразвука в живой природе, подсказали человеку идею удивительного изобретения, в котором он попытался использовать то, что подметил в природе.

По пути, указанному природой

Один из самых тяжелых недугов, который может постигнуть человека, — это потеря зрения. В многочисленных легендах и сказках человек выразил свою мечту: научиться побеждать слепоту. В сказке Лермонтова «Ашик-Кериб» могущественный волшебник, дав Ашику кусок земли, говорит: «Если не станут верить истине слов твоих, то вели к себе привести слепую, которая семь лет уж в этом положении, помажь ей глаза — и она увидит». Это должно было явиться таким чудом, которое доказало бы всемогущество волшебника и истинность слов Ашика.

Советская медицина сумела осуществить вековую мечту. Возвращение зрения в наши дни — случай далеко не редкий. Наши врачи произвели не одну тысячу таких операций. Однако иногда врачи бывают бессильны.

То, что летучая мышь прекрасно ориентируется в пространстве с помощью ультразвука, навело ученых на мысль: почему бы и человеку, потерявшему зрение, не дать возможность таким же образом обнаруживать препятствия на своем пути, ходить по улицам города, не прибегая к посторонней помощи?

В одном из аппаратов, который был построен для того, чтобы дать человеку возможность ориентироваться с помощью ультразвука, излучатель посылал каждую секунду приблизительно десять коротких, не слышимых человеческим ухом сигналов. Спустя несколько мгновений после посылки сигнала аппарат автоматически переключался на прием и в течение некоторого времени слушал, не придет ли эхо-сигнал. Специальное устройство превращало эхо-сигнал в слышимый звук, воспринимаемый человеком.

По силе эхо-сигнала человек определял расстояние до предмета, отразившего его: с уменьшением расстояния сила эхо-сигнала возрастала.

В другом аппарате промежуток времени между посылкой сигнала и включением приемника можно менять по своему желанию, вращая особый регулятор. Если этот промежуток увеличить, то эхо придет до включения приемника и не будет услышано. Плавно изменяя время включения приемника, можно, подражая летучей мыши, сделать так, что приемник будет включаться как раз в тот момент, когда приходит эхо. В этом случае положение ручки регулятора позволит оценить расстояние до препятствия, отразившего посланный сигнал: чем больше запаздывание сигнала, тем дальше находится препятствие.

Опытные образцы приборов позволяют различать предметы, отстоящие на расстоянии в несколько метров. Следует отметить, что ультразвуковые приборы обладают весьма «острым зрением»: они различают даже веревку, натянутую на расстоянии 30 сантиметров.

Эти опыты являются лишь первой попыткой приблизиться к еще далекой цели. Но мы можем с уверенностью сказать, что смелая мысль, настойчивость и целеустремленность ученых преодолеют все трудности и в конце концов такой прибор будет создан.

Конечно, не надо порождать напрасных надежд. Когда подобный прибор будет создан, с его помощью все же нельзя будет ориентироваться на людной городской улице, по которой непрерывным потоком спешат пешеходы, проносятся автомобили, троллейбусы, трамваи…

Каждое мгновение прибор зарегистрирует так много эхо-сигналов, что разобраться в них будет практически невозможно. Однако в квартире или в сельской местности, где движение не столь велико, ультразвуковой локатор сможет принести большое облегчение человеку, лишенному зрения.

Действие ультразвука на простейшие живые существа

Уже в первых опытах с мощным ультразвуковым излучением было обнаружено, что простейшие живые существа быстро гибнут при озвучивании.

Советские ученые Г. Б. Доливо-Добровольский и С. И. Кузнецов установили, что инфузории, живущие почти во всех водоемах, при озвучивании чрезвычайно быстро погибают.

Исследуя озвученную воду под микроскопом, ученые не могли обнаружить в ней ни одной уцелевшей инфузории.

Если присоединить к микроскопу специальный аппарат, делающий 1200 снимков в секунду, можно заснять все этапы разрушения микроорганизмов под влиянием ультразвуковых колебаний.

Опыт показал, что для разрыва отдельной клетки необходимо время, меньшее 1/1200 доли секунды: на первом кадре можно было видеть неповрежденную клетку, а на следующем она была уже полностью разрушена.

Причина гибели простейших организмов под влиянием ультразвука точно не установлена, но все же некоторые предположения сделать можно.

Мы знаем, что ультразвуковая волна состоит из чередующихся сжатий и разряжений. При мощной ультразвуковой волне, распространяющейся в воде, разряжения могут быть настолько значительны, что вода не выдержит возникших напряжений и разорвется. В местах разрыва образуются мельчайшие пузырьки, наполненные парами жидкости и растворенными в ней газами.

Образование таких микроскопических разрывов называют кавитацией. Чем больше мощность ультразвука, тем интенсивнее происходит кавитация. Возникший пузырек существует очень недолго, затем захлопывается и исчезает.

При захлопывании кавитационных пузырьков возникают огромные давления, измеряемые тысячами атмосфер, которые, несомненно, оказывают большое влияние на биологические действия ультразвука.

Роль кавитации ясно видна на таком примере: стоило в некоторых случаях повысить внешнее давление и тем прекратить возникновение кавитационных пузырьков, как ультразвук уже не вызывал гибели клеток.

Большой интерес представляет уничтожение различных болезнетворных бактерий под действием мощного ультразвука. Выделенные из больного организма и помещенные в сосуд с питательной средой бактерии при озвучивании быстро погибают; погибают даже такие стойкие бактерии, какими являются туберкулезные палочки. В течение нескольких минут полностью разрушается яд дифтерийных бактерий.

Исследуя озвученные препараты различных бактерий с помощью электронного микроскопа, позволяющего получать увеличение в десятки тысяч раз, удалось выяснить, какие именно изменения вызывают в них ультразвуковые колебания.

На рис. II, а и б воспроизведены фотографии туберкулезных бацилл. На рисунке а мы видим неповрежденную туберкулезную палочку, увеличенную в 30 100 раз. На рисунке б видно разрушение туберкулезных палочек под действием ультразвука. Следует заметить, что достигнуть полного уничтожения всех без исключения туберкулезных палочек даже при длительном озвучивании не удалось.

Рис. II.

а, б — действие ультразвука на туберкулезные бациллы, в, г — действие ультразвука на вирус кошачьей пневмонии, д, е — действие ультразвука на гриппозный вирус, ж, з — действие ультразвука на бактерии

На рис. II, ж и з приведены фотографии одного из видов бактерий при увеличении в 10 850 раз. Рисунок ж — микроорганизмы до озвучивания, рисунок з — после десятиминутного озвучивания ультразвуком с частотою 700 тысяч колебаний в секунду. Как можно убедиться, в результате озвучивания бактерии потеряли четкие очертания и приобрели как бы «атмосферу» с неправильными и расплывчатыми границами.

Разрушительное действие ультразвуков распространяется также и на различные вирусы.

На рис. II, в и г приведены фотографии вируса кошачьей пневмонии, увеличенные в 13 570 раз, до и после озвучивания.

После озвучивания вирус уже не вызывает заболевания.

На рис. II, д и е показаны изменения, претерпеваемые одним из опаснейших врагов человека — гриппозным вирусом — под действием ультразвуковых колебаний. Хотя здесь изменения не так ярко выражены, все-таки после часового озвучивания активность вируса уменьшается в тысячи раз.

Действуя ультразвуком в течение всего 30 секунд, удалось ослабить вирус сыпного тифа.

Способность ультразвука убивать микроорганизмы вызвала попытки использовать его для стерилизации воды, молока и различных пищевых продуктов.

Возможно, что уничтожением под действием ультразвука микроорганизмов, вызывающих ферментативные процессы в веществе, объясняется своеобразное действие озвучивания на пчелиный мед. Всем известно, что мед при стоянии засахаривается, или, как скажут физики, кристаллизуется. При засахаривании вкусовые качества меда ухудшаются. Было обнаружено, что достаточно подвергнуть мед всего 30-минутному озвучиванию, как он приобретает способность не засахариваться в течение месяца, а вкусовые качества его повышаются.

Но, пожалуй, наиболее интересны попытки применить ультразвуки для выделения из микроорганизмов различных важных биологических веществ: токсинов, ферментов и т. п. В настоящее время с помощью ультразвуков уже удалось приготовить различные сыворотки.

Озвучивая бактерии коклюша, ученые выделили яд, вырабатываемый ими, так называемый эндотоксин. Если выдержать полученный эндотоксин на холоде, то он теряет токсические свойства, делается безвредным, но сохраняет способность сообщать животному иммунитет, то есть невосприимчивость к заболеванию. Преимущества ультразвукового получения токсинов, ферментов и других биологических веществ заключаются в том, что за тот короткий промежуток времени, в который происходит разрушение клетки, содержимое ее не успевает химически измениться и в неизмененном виде поступает в окружающую среду.

Несомненно, что в ближайшем будущем ультразвуки будут широко применяться для приготовления различных биологических препаратов.

Что произошло с рыбками?

Перед нами сосуд с водой, в котором весело плавают маленькие юркие рыбки.

Но вдруг что-то произошло.

Почему движения рыбок потеряли былую уверенность, почему они беспомощно всплывают животами кверху, тщетно пытаясь принять нормальное положение?

Причиной этого являются ультразвуковые колебания, возникшие в воде. Достаточно выключить источник ультразвука, и рыбки снова будут весело плавать, как будто с ними ничего не приключилось. Но стоит усилить мощность ультразвука, и рыбки будут убиты.

Сходно действует ультразвук и на головастиков. Правда, в отличие от рыбок, которые при озвучивании все же пытаются принять естественное положение, головастики совершенно теряют способность к движению.

Наряду с разрушением живых организмов ультразвуки могут в некоторых случаях стимулировать жизненные процессы. Так, например, озвучивание семян гороха приводит к бурному их прорастанию. Очень интересные результаты наблюдались при озвучивании семян сахарной свеклы. Семена замачивались в воде, после чего некоторая часть их оставлялась для контроля, а остальные озвучивались. Контрольные и озвученные семена одновременно высаживались в почву типа глинистого чернозема. Как показало наблюдение, озвученные семена росли быстрее контрольных. Урожай от озвученных семян значительно превосходил одновременно снятый урожай от контрольных семян. Прирост урожая зависел от времени озвучивания и мощности ультразвука. Особенно благоприятные результаты получились в этой работе при 4-минутном озвучивании, когда прирост урожая по сравнению с контрольным достиг 50 процентов. Сходные результаты наблюдались при озвучивании зерен ячменя. Растения из озвученных семян развиваются более быстро и превосходят контрольные по содержанию сухого вещества и золы. Способность к ускоренному прорастанию сохраняется семенами в течение нескольких месяцев после озвучивания. Механизм действия ультразвука, стимулирующего рост растения, еще точно не выяснен. Предполагают, что ускорение роста связано с вызываемым ультразвуком изменением проницаемости оболочки семян, а также с изменением химических веществ, входящих в их состав. Ультразвуковым воздействием, однако, надо пользоваться осторожно: в тех же самых опытах удлинение озвучивания до 12 минут привело к гибели всех семян.

Озвучивание мощным ультразвуком оказывает очень сильное воздействие и на сложные организмы животных и людей. Работники, имеющие дело с мощными звуковыми сиренами, отмечали, что когда их руки попадали в звуковой луч, через несколько секунд нагрев пальцев делался непереносимым. Объясняется это, вероятно, тем, что тепло при озвучивании возникает непосредственно в тканях организма, а не распространяется в результате теплопередачи, как при обычном нагреве.

Когда на пути звукового луча мощной сирены всего на несколько мгновений случайно оказывался работник, то несмотря на то, что на его уши были надеты специальные поглотители, которые не допускали проникновения звука, он ощущал дурноту и терял способность сохранять равновесие.

Иначе ведут себя ультразвуки не столь большой мощности. Их действие на человеческий организм может быть и благотворным. В этом отношении ультразвук можно сравнить с солнечным светом, который при неумеренном пользовании вызывает ожог, при правильном же применении восстанавливает здоровье человека.

В последние годы ученые разработали различные способы лечения ультразвуком. В одном из них источник ультразвука плотно прижимается к тому участку человеческого тела, который нужно подвергнуть действию высокочастотных колебаний. В другом из них излучатель скользит по поверхности кожи, подвергающейся озвучиванию. Для лучшей передачи звуковых колебаний кожа предварительно смазывается вазелиновым маслом.

Одним из основных затруднений при применении ультразвуковых колебаний в медицине является недостаточная еще разработанность способов их дозировки.

На рис. 25 изображен один из применяемых в наше время в медицине приборов, определяющих мощность ультразвукового луча. Излучатель ультразвука прижимается к отверстию в верхней части камеры, внутри которой установлены легкие весы, напоминающие ультразвуковой радиометр. Давление ультразвука заставляет чашку весов опуститься. При этом специальная передача приводит в движение стрелку прибора, положение которой и указывает мощность ультразвука.

Рис. 25. Прибор для определения мощности ультразвуковых колебаний

Ученые настойчиво изучают процессы, которые протекают в живом организме под действием ультразвука.

Несомненно, что наряду с кавитацией, вызывающей разрыв клеток, необходимо считаться с химическим действием ультразвука на сложные органические вещества, присутствующие в живых клетках.

Под действием мощных ультразвуковых колебаний большие молекулы белковых веществ разламываются, образуя частицы меньших размеров.

Ультразвуки способны изменять химические и биохимические свойства молекул и не таких сложных и непрочных, как белковая молекула.

Существует химическое соединение, называемое бензопиреном, которое обладает способностью вызывать у животных возникновение злокачественной опухоли. После озвучивания бензопирен это свойство теряет.

Изучение химических действий ультразвука будет способствовать дальнейшему использованию неслышимых звуков в биологии и медицине.

Глава 4.

ЗВУКОХИМИЯ

Первые шаги

Как путешественник, проникнув во вновь открытую страну, порою не знает, куда направить свой путь, так и исследователи новой области науки на первых порах продвигаются вперед неуверенно, как бы «ощупью».

Так же обстояло дело и с исследованием неслышимых звуков.

Это было увлекательное путешествие, в котором человек постоянно сталкивался с новыми, неизвестными ему до того явлениями, и вполне естественно, что уже первые шаги исследователей привели к открытиям, приковавшим внимание ученых всего мира к удивительным свойствам неслышимых звуков.

По мере того как открывались новые и новые свойства ультразвуков, все яснее делалась природа наблюдаемых явлений, целеустремленнее становились научные поиски.

Особенно большой интерес возбудила способность ультразвуков вызывать химические превращения. Химических превращений, вызываемых ультразвуком, оказалось так много, что было предложено даже объединить их в специальный отдел химии — фонохимию, наподобие того, как объединяют химические превращения, вызываемые действием света, в раздел, называемый фотохимией. Возможно, что в будущем такой отдел химии действительно и возникнет.

Иодистый калий — бесцветное вещество, по виду его трудно отличить от обычной поваренной соли.

Раствор иодистого калия в воде бесцветен и имеет горько-соленый вкус. Если пропустить через него мощный ультразвук, раствор слегка пожелтеет.

Что же произошло?

Под действием ультразвука молекулы иодистого калия, представляющие собой соединение одного атома иода с одним атомом металла калия, разрушились, выделился иод, который и окрасил раствор в желтый цвет.

Химик скажет, что произошло окисление, в результате которого выделился иод. Действительно, то же самое можно наблюдать, если добавить к раствору иодистого калия перекись водорода или другое вещество, способное вызывать окисление.

Окислительное действие ультразвука не ограничивается разложением только иодистого калия.

Если озвучивать растворы органических красителей, таких, например, как конго красное или метилвиолет, то они обесцвечиваются точно так же, как от добавки к ним какого-либо энергичного химического окислителя.

Изучение химических превращений, происходящих под действием ультразвука, привело к довольно неожиданному открытию: оказалось, что ультразвук не только вызывает окисление различных химических соединений, но в некоторых случаях оказывает и прямо противоположное действие, то есть приводит к восстановлению некоторых веществ.

Так, например, раствор сулемы при озвучивании быстро мутнеет. Помутнение вызвано восстановлением сулемы, в результате которого образуется плохо растворимое соединение — каломель, выпадающее в виде осадка.

Подействовав каким-либо химическим окислителем, мы можем заставить осадок раствориться, снова превратив образовавшуюся каломель в сулему.

Это доказывает, что под действием ультразвука действительно произошло химическое превращение, обратное окислению, — восстановление.

Что же является причиной химических изменений, происходящих под действием ультразвука?

Электрические заряды и пузырьки

Разрежения, возникающие в мощной ультразвуковой волне, как мы уже говорили, могут быть настолько велики, что жидкость не выдержит и разорвется, образуя множество микроскопических пузырьков. Возникает кавитация.

Внутри возникших при кавитации пузырьков, помимо паров воды и воздуха, находятся также мельчайшие капельки воды, которые отрываются от ее поверхности в момент разрыва.

Целый ряд наблюдений говорит о том, что стенки кавитационного пузырька и капельки, находящиеся внутри него, заряжены разноименным электричеством. При сжатии пузырьков их размеры резко уменьшаются и заряды оказываются расположенными на пузырьках очень малых размеров. В результате этого электрическое напряжение сильно возрастает. Между стенками кавитационных пузырьков и капельками, находящимися внутри них, происходят электрические разряды, напоминающие микроскопические молнии (рис. 26).

Рис. 26. Кавитационный пузырек

Эти электрические разряды и являются одной из главных причин химического действия ультразвука.

Способность электрического разряда вызывать химические превращения можно наблюдать и в обыденной жизни. Так, во время грозы в воздухе обычно возникает своеобразный запах, который объясняется присутствием особого газа — озона, образовавшегося под действием электрического разряда молнии.

Электрические разряды, происходящие в кавитационных пузырьках, вызывают сложные химические превращения.

Молекула воды, представляющая собой соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода, распадается на атом водорода и так называемый гидроксильный радикал, состоящий из одного атома кислорода и одного атома водорода.

Если молекула воды химически малоактивна, то атом водорода и гидроксильный радикал чрезвычайно активно вступают в химические реакции. Именно поэтому и происходит выделение свободного иода из раствора иодистого калия, а также образование каломели из раствора сулемы.

Кроме того, вода обычно содержит большое количество растворенных газов, главным образом кислорода и азота. Налейте в стакан из крана холодной воды, дайте ей постоять в теплой комнате, и вы увидите, что, как только вода согреется, стенки стакана покроются пузырьками выделившегося из воды газа.

Под действием электрического разряда, происходящего в кавитационных пузырьках, молекулы этих газов переходят в особое «активное» состояние и энергично вступают в различные химические реакции.

В результате взаимодействия активных молекул растворенных в воде газов и частиц, образовавшихся при распаде молекул воды, возникает ряд новых химических соединений. Хотя количества вновь возникших веществ очень невелики, химики все же сумели определить их состав. Наиболее важными из них являются перекись водорода и азотная кислота.

Молекула перекиси водорода содержит на один атом кислорода больше, чем молекула воды. Азотная кислота — довольно сложное соединение, в ее состав входят азот, кислород и водород.

Образование перекиси водорода является одной из главных причин окислительного действия ультразвука, такого, например, как разложение иодистого калия.

Разложение иодистого калия нашло себе недавно интересное применение: с его помощью удалось сделать ультразвуковые волны видимыми.

Для этой цели приготовляют специальный звукочувствительный раствор, содержащий крахмал, иодистый калий, а также незначительное количество других веществ, повышающих чувствительность раствора к звуку.

Под действием ультразвука из иодистого калия выделяется свободный иод, иод взаимодействует с крахмалом, и вся жидкость приобретает темно-синюю окраску.

Если приготовить из тончайшей пластической массы набор ячеек наподобие пчелиных сот и наполнить их звукочувствительным раствором, мы получим ультразвуковой растр. Теперь можно следить за распространением ультразвука, расположив растр на его пути. Там, где ультразвук будет проникать в ячейки, он будет вызывать появление окраски, так что границы ультразвукового луча будут резко очерчены.

На рис. 27 приведена фотография ультразвуковой волны (темный прямоугольник).

Рис. 27. Ультразвуковой растр

Если на пути ультразвука поместить преграду — обычную пробку, то она отбросит звуковую тень. В ячейках растра, попавших в область тени, иод не будет выделяться и раствор не посинеет. На рис. 28 приведена фотография подобной звуковой тени (светлый прямоугольник) на фоне посиневшего от действия ультразвука растра.

Рис. 28. Тень от пробки в ультразвуковом растре

Первоначально все химические действия ультразвука пытались объяснить какой-нибудь одной причиной, но попытка эта успеха не имела. При распространении ультразвука в жидкости возникает ряд явлений, каждое из которых может быть причиной химических превращений.

Электрический разряд в кавитационных пузырьках не является единственной причиной химических действий ультразвука. При захлопывании кавитационных пузырьков, как мы знаем, возникают огромные давления, которые измеряются тысячами атмосфер. Подобное увеличение давления сопровождается значительным повышением температуры. Большие давления и температуры, хотя и ограничены микроскопическими объемами жидкости, все же могут вызывать химические превращения.

Большое значение имеют также колебания мельчайших пузырьков воздуха, резонансные частоты которых совпадают с частотой звуковой волны.

Недавно удалось доказать, что ультразвук может вызывать некоторые химические превращения и в отсутствие кавитации, только действие его в этом случае значительно ослабляется.

Молекулы-гиганты

В последние годы и в технике и в быту широкое распространение приобрели предметы, сделанные из каучука и различных пластических масс. Молекулы этих веществ отличаются очень большими размерами. Они так и называются: макромолекулы, или молекулы-гиганты. Макромолекулы возникают в результате полимеризации — соединения большого количества более мелких молекул.

Полимеризация — одна из важнейших реакций в химической промышленности. В некоторых случаях она протекает только в присутствии особых сочетаний атомов, так называемых свободных радикалов. Поскольку ультразвук, как мы уже знаем, вызывает появление свободных радикалов, возникла мысль: а нельзя ли воспользоваться им для ускорения реакции полимеризации? Недавно это предположение удалось подтвердить опытами.

Для исследования было выбрано вещество, молекулы которого способны укрупняться только в присутствии радикалов. Специальной очисткой был приготовлен водный раствор этого вещества, который не содержал радикалов. Раствор простоял шесть месяцев и не изменился. Но стоило его подвергнуть действию мощного ультразвука, как раствор заполимеризовался.

У читателя, естественно, возникает вопрос: каким же образом удается следить за изменением размеров молекул, которые так малы, что их нельзя увидеть даже в самый лучший микроскоп?

В этом случае на помощь ученым приходит зависимость, которая существует между вязкостью раствора и размером молекул.

Чем больше размер молекул, тем больше вязкость раствора.

Недавно было открыто влияние ультразвука на полимеризацию двух важных химических веществ: стирола и бутадиена. Эта реакция лежит в основе получения одного из видов искусственного каучука и потому представляет особенный интерес. Оказалось, что если подействовать на стирол мощным ультразвуком и одновременно увеличить давление примерно до 4–5 атмосфер, то реакция полимеризации значительно ускорится. На рис. 29 изображено влияние озвучивания на полимеризацию стирола. На вертикальной оси — выход готового продукта в процентах, а на горизонтальной — время озвучивания. Мощность ультразвука составляла 0,03 ватта на каждый кубический сантиметр озвучиваемого вещества. Нижняя кривая относится к контрольному образцу, который озвучиванию не подвергался.

Рис. 29. Ускорение полимеризации стирола при озвучивании

Как легко видеть, озвучивание в течение 40 минут удваивает количество готового продукта. Озвучивание может вызывать не только ускоренную полимеризацию вещества. Можно надеяться воздействовать таким способом и на свойства готового продукта.

Взгляните на рис. 30, на нем изображена полученная с помощью электронного микроскопа фотография одного из видов органического стекла, которое было приготовлено в результате полимеризации при одновременном озвучивании. На фотографии хорошо видны ориентированные, наподобие линеек в нотной тетради, нитеобразные кристаллы этого вещества. Если бы ультразвук не действовал, молекулы не расположились бы так упорядоченно и механические свойства вещества были бы иными. Когда ученые найдут пути управления этим воздействием, инженеры смогут придавать веществу по своему желанию те или иные механические свойства.

Рис. 30. Ориентация молекул при ультразвуковой полимеризации

Ускорение роста огромных молекул под действием ультразвука имеет важное значение. Однако при озвучивании наблюдаются иногда и другие явления, с которыми приходится считаться.

Двойственность свойств неслышимых звуков

В ультразвуке своеобразно сочетаются противоположные свойства. С одной стороны, он ускоряет полимеризацию, а с другой — разламывает большие молекулы, образуя частицы гораздо меньших размеров. Процесс этот химики называют деполимеризацией.

Если подвергнуть озвучиванию студнеобразный раствор желатина, то вязкость его быстро уменьшится и студень потечет. Однако если прекратить озвучивание, через некоторое время жидкий раствор снова превратится в студень.

Раствор желатина имеет вид студня благодаря наличию определенной структуры. Длинные нитеобразные молекулы желатина, переплетаясь при своем движении, образуют как бы каркас-сетку, внутри которого находится растворитель — вода. Силы, удерживающие молекулы желатина в каркасе, невелики. Ультразвуковые колебания разламывают каркас, и раствор приобретает текучесть. При прекращении озвучивания молекулы желатина в результате присущего им теплового движения снова причудливо переплетаются, восстанавливая разрушенный каркас и, следовательно, вязкость.

Мощные ультразвуковые колебания способны вызвать и такое понижение вязкости раствора высокомолекулярного вещества, которое уже не исчезает после прекращения озвучивания.

На рис. 31 изображено изменение молекулярного веса полистирола, растворенного в толуоле. Под действием ультразвука огромные молекулы полистирола сравнительно быстро разламываются.

Рис. 31. Деполимеризация полистирола в толуоле

В основном расщепление молекул под действием ультразвука вызвано опять-таки кавитацией.

Рассмотрим более подробно, как происходит захлопывание кавитационного пузырька.

Поверхность образовавшегося внутри жидкости пузырька стремится сократиться, подобно тому как стремится сжаться растянутая резиновая пленка. Поэтому, как только разрежение в звуковой волне сменится давлением, пузырек сожмется.

Замечательным свойством образующихся в жидкости пузырьков является то, что чем меньше подобный пузырек, тем больше натяжение его стенок, в противоположность тому, что наблюдается у пузырьков, окруженных резиновой пленкой.

Поэтому перед тем, как захлопнуться, то есть в тот момент, когда размеры пузырька сделаются предельно малыми, давление внутри него достигнет огромной величины.

Именно это увеличение давления и разламывает макромолекулы.

Однако кавитация не является единственной причиной расщепления молекул под действием ультразвука. В озвучиваемом растворе громоздкие молекулы, образующие пластические массы, окружены со всех сторон маленькими молекулами растворителя. В результате своих огромных размеров макромолекулы малоподвижны, неповоротливы. Переплетаясь между собой, они делаются еще менее подвижными и при озвучивании не успевают следовать за колебаниями, совершаемыми в звуковой волне молекулами растворителя, которые снуют возле них. Между молекулами растворенного вещества и растворителем возникают силы трения, подобные тем, какие появляются при движении любого тела в вязкой жидкости. Как показывают расчеты, этих сил часто бывает достаточно для разламывания макромолекул.

Если же длина волны ультразвука очень мала, то может оказаться так, что одна часть гигантской нитеобразной молекулы будет находиться в области сжатия, а другая — в области разрежения. В этом случае также возникает разрывающее усилие, которое может приводить к разламыванию нитеобразных молекул.

При ультразвуковой деполимеризации имеют место все эти явления.

Теми же свойствами ультразвука, которые вызывают химические превращения, объясняется еще одно интересное явление, называемое звуколюминесценцией.

Таинственное свечение

Проделаем такой опыт. Наполним небольшой цилиндрик с тоненьким дном чистой водой. Затем опустим этот цилиндрик в ванну с трансформаторным маслом, в котором находится колеблющаяся кварцевая пластинка. Затемним комнату и, когда наши глаза привыкнут к темноте, включим ультразвуковой генератор и подвергнем воду в цилиндре интенсивному озвучиванию. Как только ультразвуковые колебания проникнут в воду, мы заметим узкую светящуюся полоску, которая возникает обычно у дна сосуда и реже в верхней его части. Свечение будет усиливаться, расширяться и вскоре заполнит весь сосуд. Некоторое время свечение останется неизменным, затем начнет ослабевать и наконец внезапно исчезнет.

Это свечение и называют звуколюминесценцией.

Изучая звуколюминесценцию, советские исследователи В. Л. Левшин и С. Н. Ржевкин обнаружили много интересного. Оказалось, что если озвучивать глицерин или серную кислоту, возникает точно такое же свечение, как и в воде.

Однако когда для опытов взяли органические жидкости, такие, например, как бензол, этиловый спирт, нитробензол, свечение не появлялось.

Ученым удалось также установить, что с повышением температуры жидкости или при насыщении ее углекислым газом свечение прекращается.

В то же время присутствие в воде таких веществ, как поваренная соль, хлористый кальций, серная кислота, никак не сказывалось на характере свечения.

Что же является источником свечения?

Вы, наверно, уже догадываетесь, что источником свечения являются все те же кавитационные пузырьки. Наполняющие их газы и пары светятся под действием электрического разряда, подобно тому как светятся газосветные трубки, знакомые всем по световой рекламе.

Такое объяснение возникновения звуколюминесценции делает понятными многие особенности этого явления.

Растворенные в воде поваренная соль или серная кислота нелетучи, и потому молекулы этих веществ не будут встречаться в газах, наполняющих кавитационный пузырек, а следовательно, они не будут влиять и на свечение.

Наоборот, угольная кислота летуча и, попадая в кавитационные пузырьки, гасит свечение.

Повышение же температуры вызывает увеличение количества паров воды внутри пузырька, и тем самым затрудняет появление электрического разряда и, следовательно, препятствует свечению.

Предполагают, что свечение воды, наблюдаемое при ее озвучивании, может объяснять почернение фотографической пластинки под действием ультразвука.

Если неосвещенную фотографическую пластинку погрузить в дистиллированную воду и подвергнуть действию ультразвука, а затем проявить, то пластинка окажется почерневшей, как будто она была освещена. Степень почернения тем больше, чем больше интенсивность ультразвука. Этим попытались воспользоваться для получения изображения звуковой волны. На рис. 32 воспроизведена подобная ультразвуковая фотография фокусированной волны. Время действия ультразвука на фотопластинку равно 20 минутам. Надо еще раз напомнить, что освещение при получении этой фотографии отсутствовало, ультразвук сам вызвал почернение пластинки.

Рис. 32. Ультразвуковая фотография

Фотографическое изображение ультразвуковой волны может возникать и в результате нагрева жидкости, который вызывается ультразвуковой волной.

Расскажем теперь об одной интересной попытке практического использования химического действия ультразвука.

Ультразвук заменяет время

Нагревание, которым сопровождается поглощение ультразвука, и своеобразный характер движения отдельных частиц вещества в ультразвуковой волне приводят к тому, что озвучивание мощным ультразвуком вызывает ускоренное протекание сложных химических превращений, объединяемых под общим названием «старения» вещества.

Мы знаем, что при приготовлении высших сортов водок и вин их специально выдерживают, чтобы они «состарились» и приобрели ценные вкусовые качества.

Старение — медленный процесс, но старение водок и различных ликеров можно ускорить, подвергнув их действию ультразвука. Как оказалось, кондиционность водок и различных ликеров при этом значительно возрастает. После озвучивания напитки приобретают такие качества, которые без помощи ультразвука можно получить лишь в результате длительной выдержки их в специальных условиях. Однако для ускорения старения вин ультразвуком не пользуются, так как во многих случаях он ухудшает их качество — в винах увеличивается содержание кислоты.

В 1953 году советские ученые Ф. К. Горский и В. И. Ефремов открыли, что ультразвуки способны ускорять процесс старения не только жидкостей, но и твердых тел. Согласно их опытам старение алюминиевых сплавов, необходимое для того, чтобы сплав после закалки приобрел требуемую твердость, происходит под действием ультразвука приблизительно в 80 раз быстрее, чем в нормальных условиях. Это открытие может иметь большое практическое значение.

Глава 5.

ПОМОЩНИК ЧЕЛОВЕКА

Дробящий звук

Итак, ультразвук может разламывать мельчайшие частицы вещества — молекулы. Естественно ожидать, что с помощью мощного ультразвука удастся измельчить также различные жидкие или твердые тела, состоящие из многих миллиардов молекул.

Если в пробирку налить ртуть и воду, то более тяжелая ртуть расположится внизу, а вода сверху. Встряхнув пробирку, можно на мгновение заставить ртуть разбиться на мелкие капельки и перемешаться с водой. Но как только мы прекратим встряхивание, капельки ртути соберутся на дне и сольются в одну большую каплю. В пробирке вновь возникнут два слоя, разделенные резкой границей. Попробуем теперь пробирку опустить в мощный ультразвуковой фонтан. Пройдет всего несколько минут, и мы получим однородную серую массу, где уже нельзя различить отдельные слои. Капельки ртути здесь равномерно перемешаны с водой, как в молоке перемешаны с водою мельчайшие капельки жира.

Тем не менее, это не истинный раствор, в котором растворенное вещество измельчено до молекул. Хотя ультразвук дробит ртуть на мелкие частицы, им все же очень далеко до молекул. С помощью хорошего микроскопа можно различить и измерить отдельные капельки ртути. Они имеют в поперечнике несколько стотысячных долей сантиметра. Подобные капельки содержат еще сотни тысяч молекул, но они уже настолько малы, что не падают мгновенно на дно пробирки, а лишь медленно-медленно оседают. Даже через сутки остается еще сравнительно много мелких неосевших частиц. Такое подобие раствора называют эмульсией, если раздробленное вещество — жидкость, а сам процесс измельчения — диспергированием. Различные эмульсии находят самое разнообразное применение в технике, медицине, в быту.

При постройке дорог широко используют так называемые битумные эмульсии. Чрезвычайно разнообразны эмульсии, встречающиеся в пищевой промышленности, — это различные соусы и кремы, начинки для конфет, а также маргарин, который представляет собою охлажденную эмульсию масла, жиров и кислого молока. Широко применяются эмульсии в фармацевтической, текстильной и кожевенной промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Промышленность заинтересована в получении эмульсий в возможно более короткий срок.

Известным советским ученым Сергеем Николаевичем Ржевкиным приготовлено с помощью ультразвука большое количество разнообразных эмульсий. Легко диспергируются (измельчаются) в воде бензол, парафин, различные масла. Особенно легко и быстро образуются эмульсии масел. Они очень устойчивы и лишь незначительно изменяются со временем.

На рис. 33 приведены кадры киносъемки образования эмульсии масла в воде. Диспергируемое масло по трубке подается к ультразвуковому вибратору. Под действием ультразвука оно разбивается на мельчайшие капельки. Образующаяся эмульсия заметна в виде постепенно увеличивающегося облачка. По увеличению белого облачка на последующих фотографиях мы убеждаемся, как быстро происходит образование эмульсии под действием ультразвука (промежутки времени между отдельными фотографиями — доли секунды). Быстрота, с которой происходит ультразвуковое эмульгирование, может иметь большое практическое значение.

Рис. 33. Получение эмульсии масла в воде

При ультразвуковом измельчении основную роль опять-таки играет кавитация. Кроме того, при распространении ультразвуковой волны возникают колебания стенок сосуда, содержащего измельчаемую жидкость. Эти колебания также способствуют образованию эмульсии.

С помощью ультразвука можно измельчать и твердые тела, получая таким образом суспензии — смеси мелко раздробленного твердого вещества с жидкостью. Различные краски, некоторые лекарственные препараты, смазки для трущихся частей машин и другие широко применяемые вещества представляют собою суспензии. Тела, силы сцепления в которых невелики, такие, как гипс, слюда, сера, а также различные твердые органические соединения, как например, нафталин или камфора, размельчаются ультразвуком легко.

Хотя металлы измельчаются труднее, но все же с помощью ультразвука удалось получить также суспензии многих металлов в воде и масле.

Причина измельчения и в этом случае коренится в кавитации. Огромные давления, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, действуют как микроскопические удары, дробящие твердое тело.

Мы знаем, что кавитация возникает не только при распространении ультразвука. С нею мы сталкиваемся при движении корабельных винтов, лопаток гидротурбин. И здесь наблюдается возникновение быстро захлопывающихся кавитационных пузырьков, вызывающее разрушение поверхности винтов и лопаток. Это убеждает нас в том, что одну из причин дробящего действия ультразвука мы указали правильно.

Следует заметить, что с помощью ультразвука можно добиться очень тонкого измельчения твердого тела, но количество раздробленного вещества при этом бывает обычно ничтожно. В самом деле, для того чтобы измельчить всего 1 грамм никеля, пользуясь ультразвуковым генератором средней мощности, потребовалось бы непрерывно озвучивать пластинку размером 4 квадратных сантиметра в продолжение месяца.

Поэтому, когда хотят получить сравнительно большое количество измельченного вещества, прибегают к особым приемам.

Так, например, желая получить суспензию серебра, измельчаемый кусок металла помещают в ванну, наполненную раствором соответствующей соли этого металла, в нашем случае — азотнокислого серебра (рис. 34). В туже ванну опускают специальную металлическую пластинку. Серебро соединяют с положительным полюсом батареи, а пластинку с отрицательным. При протекании электрического тока кусок серебра растворяется, одновременно равное количество серебра из раствора выделяется в виде мельчайших кристалликов на металлическом электроде. Если расположить ванну над колеблющимися кварцевыми пластинками и пропустить через нее мощный ультразвуковой луч, то мельчайшие кристаллики серебра будут отрываться от электрода. Образуется чрезвычайно мелкозернистая суспензия. В этом приборе можно получать суспензии самых разнообразных металлов. Установка отличается простой конструкцией и большой производительностью.

Рис. 34. Прибор для ультразвукового измельчения твердых тел

Таким же образом, совмещая химическую реакцию с действием ультразвука, можно получить мелко измельченный осадок самых различных веществ.

В некоторых случаях бывает удобно измельчаемое твердое тело предварительно растворить в каком-либо летучем растворителе, а затем полученный раствор превратить в эмульсию. При эмульгировании возникает кавитация: растворитель, испаряясь, переходит в кавитационные пузырьки, а растворенное твердое тело выпадает в осадок. Таким образом, удается получать суспензии, характеризуемые очень небольшими размерами частиц. Применение этого способа для диспергирования ДДТ, как называют одно из очень эффективных средств борьбы с различными насекомыми, дало возможность получить суспензию этого вещества, являющуюся для насекомых исключительно сильным ядом.

Ультразвук помогает спасти человеческую жизнь

Особенно большое значение приобрело ультразвуковое измельчение в производстве некоторых лекарств. Имеются лекарственные средства, нерастворимые в воде, поэтому их приходится применять в виде эмульсий или суспензий. К таким веществам относится камфора. Нерастворимость камфоры в воде не позволяет вводить ее непосредственно в кровь больного, с тем чтобы она скорее достигла сердца. Если ввести камфорное масло в вену, оно нарушит кровообращение и человек погибнет.

С помощью ультразвука советские ученые раздробили камфорное масло в воде до столь мелких частиц, что подобную эмульсию оказалось возможным безболезненно вводить непосредственно в кровь больному.

В последнее время большое значение приобрели лекарственные вещества, родственные сульфидину. Многие пользуются сульфамидными эмульсиями, но немногие знают, что они часто приготовляются с помощью ультразвука. Как показал опыт, действие полученных с помощью озвучивания сульфамидных эмульсий гораздо эффективнее, нежели эмульсий, приготовленных обычным способом.

Ультразвук позволяет не только приготовлять лекарственные препараты с более высокими лечебными свойствами, но и открывает новые пути введения их в организм больного. С помощью ультразвука можно вводить различные вещества через кожу человека. Ультразвук как бы проталкивает вещество через поры кожи, не повреждая ее. Это свойство ультразвука может иметь большое значение в медицине.

Молекулы некоторых лекарственных препаратов очень непрочны. Если такое лекарство принять так же, как мы принимаем обычные лекарства, то, попав в желудок, оно под действием желудочного сока может измениться и потерять свои лечебные свойства. Для того чтобы этого избежать, было предложено измельчать с помощью ультразвука подобный препарат до капелек столь малого размера, что они, смешиваясь с воздухом, образуют туман. Больной вдыхает полученный туман, и лекарственный препарат вместе с воздухом попадает в легкие. Этот способ введения лекарств может иметь особенно большое значение при лечении легочных заболеваний.

Несомненно, что применение ультразвуков для приготовления новых лекарственных препаратов будет непрерывно расширяться, способствуя благородной борьбе за спасение человеческой жизни.

Наука и практика

Ультразвуковое измельчение представляет несомненный интерес для многих областей техники, например для производства фотопластинок и фотопленки. Светочувствительный слой фотопластинки представляет собой желатин, в котором вкраплены мельчайшие частицы бромистого серебра. Под действием света частицы бромистого серебра разлагаются, благодаря чему и возникает фотографическое изображение.

Качество фотопластинок зависит от того, насколько тонко измельчено бромистое серебро. Чем мельче зерна фотографической эмульсии, тем большее увеличение допускает фотография. На рис. 35 изображены микрофотографии суспензий бромистого серебра: а — полученных обычным способом и б — с помощью ультразвукового измельчения. Суспензия, полученная с помощью ультразвука, отличается мелкозернистостью и очень высокой однородностью. Применяя ультразвуковое измельчение, удалось получить высокочувствительные пластинки, обладающие замечательными фотографическими качествами.

Рис. 35. Фотоэмульсия, полученная обычным способом и с помощью ультразвука

Ультразвук с успехом применяли для измельчения многих органических красителей. Такие суспензии длительное время сохраняют свои красящие (колористические) свойства. При изготовлении подобных суспензий в них добавляют еще специальные вещества, так называемые стабилизаторы, которые должны предохранить суспензию от оседания. С помощью ультразвука иногда удается получить устойчивую суспензию и без добавки стабилизатора.

Ультразвуковое измельчение можно использовать в молочной промышленности. При приготовлении мороженого для измельчения жировых шариков и получения однородной массы, а иногда и при обработке молока применяют особую операцию, называемую гомогенизацией. Обычно гомогенизацию проводят под давлением 200–250 атмосфер. Для той же цели с успехом использовали звуковые колебания.

Прибор, предназначенный для гомогенизации молока с помощью звуковых колебаний, изображен на рис. 36.

Рис. 36. Звуковой гомогенизатор

Ультразвуковое измельчение с успехом применяют при приготовлении маргарина, крема для чистки обуви, эмульсии трескового жира, соусов-майонезов и некоторых других эмульсионных препаратов.

Низкокачественное жидкое топливо для двигателей в некоторых случаях можно значительно улучшить, раздробив в нем в виде мельчайших капелек небольшое количество воды. Для получения подобных эмульсий было предложено использовать ультразвук. Эмульсии топлива можно применять в доменном производстве, а также при изготовлении стали.

С помощью ультразвука можно диспергировать в топливе водные растворы самых различных веществ. Это позволяет исследовать влияние различных добавок на процесс горения топлива, дает возможность изменять его свойства.

Ультразвук моет шерсть

В последние годы предложено новое использование дробящей способности ультразвуков. Ультразвуки применили для отделения приставших к ткани посторонних частиц, или, попросту говоря, для стирки.

Успех ультразвуковой стирки привел к появлению нескольких систем звуковых стиральных машин. Как оказалось, в этих машинах можно успешно использовать самые обычные, слышимые звуки. Одна из распространенных звуковых стиральных машин (рис. 37) состоит из металлического цилиндра, который можно укрепить на стенке бака или ведра с мыльной водой, в которую погружено грязное белье. Внутри цилиндра помещается мощный электромагнит, заставляющий вибрировать стержень, на конце которого укреплена погружаемая в воду с грязным бельем мембрана в форме двояковыпуклой линзы. Стержень совершает в секунду 100 колебаний. Двигаясь вперед и назад, мембрана вызывает интенсивные колебания мыльной воды. Одновременно машина направляет в воду мощную струю воздуха, не дающую отделенным от ткани частичкам грязи вновь пристать к ней. Машина потребляет очень немного энергии: примерно столько же, сколько расходуется при горении 50-свечовой электрической лампочки. Стирка заканчивается в короткий срок, и при этом ткань подвергается по сравнению с другими типами стиральных машин наименьшему механическому воздействию.

Рис. 37. Звуковая стиральная машина

С практической точки зрения большой интерес представляет метод ультразвуковой мойки шерсти. Обычно шерсть сильно загрязнена жиром и другими органическими веществами. Для удаления жира шерсть приходится мыть в мыльном растворе, содержащем большое количество щелочи. Технологические свойства волокна при этом ухудшаются. Используя ультразвуковые колебания, мойку можно производить в почти нейтральном растворе и тем самым сохранить качество волокна. Образующаяся при озвучивании перекись водорода действует как отбеливающее вещество, и внешний вид шерсти улучшается. Чрезвычайно важно и то, что при ультразвуковой мойке уничтожаются различные микроорганизмы, в том числе спороносные бактерии, которые всегда присутствуют в немытой шерсти. Озвучиванием достигается и обеззараживание грязной воды, образующейся при мойке. Кроме того, при ультразвуковой мойке сокращается расход мыла и щелочи.

Способность ультразвуков измельчать твердые тела используется в аппаратах, предназначенных для удаления накипи в паровых котлах. Для этой цели в котле укрепляется специальный излучатель, посылающий интенсивную ультразвуковую волну на ту часть поверхности котла, где преимущественно образуется накипь. Под действием мощных колебаний накипь отрывается, и поверхность котла очищается.

В последние годы большое значение приобрела ультразвуковая чистка поверхности различных миниатюрных изделий. Ею с успехом пользуются для удаления загрязнений с металлических частей радиоламп, часовых подшипников, небольших шестерен, сложных передач и т. п. В некоторых случаях применение ультразвука позволяет сократить время, необходимое для этой операции, в десятки раз. В качестве примера можно указать на очистку миниатюрных стеклянных трубочек длиною около 2 сантиметров, имеющих отверстие, диаметр которого составляет всего 0,07 миллиметра. Очистка таких трубочек, являющихся ответственной деталью некоторых радиотехнических приборов, и особенно их внутренней поверхности обычными способами представляет большие трудности и требует много времени. При использовании ультразвука для обработки 1000 таких трубочек требуется всего 8 минут.

В настоящее время сконструированы аппараты, в которых ультразвуковая очистка производится конвейерным способом. В этих аппаратах обрабатываемые детали первоначально очищаются обычными способами — жидкими и парообразными растворителями, и лишь окончательная очистка производится с помощью ультразвука. Однако ультразвуковая чистка стоит относительно дорого, и ею надо пользоваться, только если требуется исключительно высокая степень чистоты, или же тогда, когда другие способы очистки почему-либо непригодны.

Недавно ультразвуковые колебания использовали для удаления окалины с поверхности металлических предметов, а также ржавчины с различных деталей, изготовленных из железа. Удалять окалину труднее, чем ржавчину. Для очистки от ржавчины обрабатываемая деталь погружается в воду, а вибрирующий магнитострикционный излучатель приводится в непосредственный контакт с нею. Под действием интенсивных колебаний ржавчина быстро измельчается и удаляется с очищаемой поверхности.

Замечательным при этом является то, что, как показали наблюдения, после подобной обработки ультразвуком железные предметы приобретают стойкость по отношению к процессу ржавления. Они могут находиться длительное время во влажном воздухе или воде и даже воде, содержащей растворенные соли. При этом на поверхности их не возникнет ржавчина. Технологи говорят, что железо под действием ультразвука пассивируется.

Причина пассивирования пока не ясна, однако многочисленные опыты не дают возможности сомневаться в том, что в некоторых случаях такое явление существует.

Дробящее действие ультразвука может быть применено также и для изготовления специальных паяльников, имеющих важное значение в промышленности.

Ультразвуковой паяльник

Использование алюминия и его сплавов связано с тем неудобством, что к алюминиевым деталям нельзя ничего припаять обычным способом. Сколько бы мы ни старались зачистить место для спая механически или же при помощи химических очистителей, все же олово, которым производят пайку, не сцепляется с поверхностью металла, и спай оказывается непрочным. Объясняется это тем, что алюминий очень быстро окисляется и образующаяся тонкая пленка окисла препятствует проникновению олова к поверхности металла. Правда, алюминиевые предметы можно припаивать с помощью специальных припоев, но пользоваться ими более сложно, чем обычным оловом.

Пайку алюминиевых предметов можно осуществить обычным способом, если в момент пайки подвергнуть спай действию мощных ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания отрывают пленку окисла от поверхности, и олово прочно сцепляется с алюминием. Для разрушения пленки удобно пользоваться колебаниями, частота которых близка к частоте слышимых звуков.

Рис. 38. Ультразвуковой паяльник

В ультразвуковом паяльнике (рис. 38) стержень 1, которым осуществляется пайка, вместе с обогревателем 2 приварен к магнитострикционному вибратору 4. Вибратор помещается внутри катушки 5 из изолированной проволоки, по которой проходит переменный ток высокой частоты. Высокочастотные колебания магнитострикционного стержня передаются рабочей части паяльника, а через нее — припою. Эти-то ультразвуковые колебания и разрушают пленку окисла. Специальные «крылья» 3 предназначены для охлаждения нерабочей части паяльника, которая в результате магнитострикционных колебаний сильно нагревается.

Пайку небольших предметов из алюминия можно производить с помощью ультразвукового паяльника без подогрева. Большие предметы приходится подогревать, так как в результате высокой теплопроводности алюминия они быстро остывают и с помощью паяльника их прогреть трудно. Если поверхностная пленка непрочна, как это бывает, например, у железа, то пайку можно производить без предварительной зачистки. Ржавые железные предметы припаиваются таким способом вполне надежно.

Отрывая с помощью ультразвука пленку окисла, можно осуществить лужение алюминиевых листов или различных деталей.

С. Я. Соколов одним из первых занялся изучением действия мощных ультразвуковых колебаний на затвердевающий расплав. Как оказалось, под действием ультразвука кристаллическая структура слитка делается чрезвычайно однородной, состоящей из очень мелких кристалликов. На рис. 39 изображены микрофотографии шлифа кадмия: слева — затвердевшего в обычных условиях и справа — тогда, когда кристаллизация шла при облучении ультразвуком. Фотография наглядно показывает, что при озвучивании образуется гораздо более мелкокристаллическая и однородная структура.

Рис. 39. Шлиф кадмия под микроскопом

Очень важно также, что при озвучивании время кристаллизации значительно сокращается, в некоторых случаях на 35 процентов.

Ультразвуковое долото

Дробящее действие мощных ультразвуковых колебаний было использовано для устройства своеобразного «ультразвукового долота». В этом приборе к концу магнитострикционного вибратора, снабженного металлическим конусом, присоединен наконечник из специального сплава. Подавая к наконечнику суспензию очень твердого вещества, например карбида бора, можно пробивать отверстия нужной формы и обрабатывать поверхность даже керамических изделий, с трудом поддающихся обработке другими способами. Ультразвуковое долото уже вышло из стен физических лабораторий и с успехом применяется на производстве. Особенно большие услуги оказывает ультразвук при обработке очень твердых материалов, таких как драгоценные камни и некоторые минералы. Сделав соответствующий вибрирующий наконечник, можно приготовлять формы для штампов, отличающиеся высоким качеством обработки поверхности.

Вдоль тонкой проволоки ультразвуковые колебания распространяются, следуя ее направлению, даже если проволока согнута. Это свойство колебаний позволяет использовать ультразвуковое долото для проделывания отверстий с причудливо изогнутой осью. До сих пор этого нельзя было достигнуть никаким инструментом.

На рис. 40 изображена специальная ультразвуковая бормашина, которая является ценным помощником в руках зубного врача. С помощью такой бормашины, так называемого «кавитрона», врач может быстро сделать в зубе очень тоненький канал, ограниченный только той частью вещества зуба, которую необходимо удалить. При ультразвуковой обработке зуба значительно уменьшаются те неприятные ощущения, с которыми часто связано пломбирование зубов.

Рис. 40. Ультразвуковая бормашина:

а — общий вид; б — инструмент, заменяющий бор; в — наконечники разной формы

Если заменить сверло тонким лезвием, то с помощью ультразвука можно резать стекло, керамику и другие твердые материалы. Ультразвук позволяет проделывать отверстия практически любого профиля, что невозможно сделать при помощи обычного сверла. Скорость, с которой сверлится стекло или керамика, очень высока — около 2 сантиметров в минуту при диаметре отверстия приблизительно 5 миллиметров. Конечно, эти цифры могут значительно колебаться в зависимости от амплитуды и частоты колебаний ультразвука.

Если заменить наконечник ультразвукового долота плоской пластинкой, то его можно использовать для шлифовки поверхности стекол, после которой для окончания обработки остается только отполировать стекло. Так как при ультразвуковой долбежке, резании и шлифовке непосредственное воздействие на обрабатываемое вещество оказывают очень мелко измельченные частицы твердого минерала, или, как говорят, абразива, то обработанная поверхность поражает своей чистотой. Неровности ее составляют всего около сотой доли миллиметра.

Ультразвуковая обработка твердых тел, несомненно, найдет себе еще много новых различных применений. Так, например, предварительные опыты показали, что высокочастотные звуковые колебания могут быть успешно использованы для улучшения процесса полировки металлических деталей. Полируемая деталь помещалась на вибратор, совершавший до 18 тысяч колебаний в секунду. При этом значительно уменьшился подъем температуры, неизбежный при полировке, и резко повысилось качество обработки поверхности.

Возможно, что и в обычных полировальных машинах значительную роль играют неизбежные при их работе вибрации. Искусственное увеличение интенсивности вибраций, по-видимому, улучшает качество полировки.

На практике иногда приходится сталкиваться с необходимостью отыскать материал, отличающийся повышенной механической прочностью. Решить эту важную задачу помогает прибор, схематически изображенный на рис. 41.

Рис. 41. Прибор для испытания прочности материалов

К концу вибратора 1, совершающего мощные ультразвуковые колебания, присоединяется короткая стальная проволочка 2. Исследуемый образец 3 помещают на подвижную скамеечку 4, которая может вращаться около горизонтальной оси. Изменяя груз 5, можно слабее или сильнее прижимать образец к проволочке.

При работе вибратора проволочка движется вперед и назад, перетирая образец. Если вибратор колеблется с частотою 50 тысяч колебаний в секунду, то образец за одну минуту подвергается действию трех миллионов перетирающих движений проволочки. С помощью такого прибора можно быстро исследовать механические свойства различных материалов и определить, который из них удовлетворяет требуемым условиям.

Как мы уже убедились, ультразвуки могут вызывать прямо противоположные эффекты; так, если в одних опытах они окисляют вещество, то в других восстанавливают, иногда ускоряют реакцию полимеризации, иногда вызывают деполимеризацию вещества и т. д. Поэтому не приходится удивляться и тому, что наряду с дробящим действием они могут ускорять противоположный процесс — процесс слипания мелких частиц, в результате которого возникают частицы более крупные.

Ультразвук очищает воздух

Фабричный дым, как известно, состоит из мельчайших частичек твердого и жидкого вещества, перемешанных с воздухом. Под действием звука дым быстро оседает. Так же ведет себя и туман, состоящий из мельчайших капелек, взвешенных в воздухе. Отдельные частички при соударении слипаются вместе и, образуя более тяжелые частицы, опускаются вниз. Такое укрупнение частиц называют коагуляцией.

Способность ультразвуков вызывать коагуляцию весьма велика: густой белый дым окиси магния осаждается при озвучивании почти мгновенно. На рис. 42 приведены фотографии изменений, которые происходят с табачным дымом при озвучивании. Рисунок а изображает дым до пропускания ультразвука, б — в начале озвучивания. На рисунке в заметно возникновение крупных частиц, на рисунках г и д мы видим причудливые движения этих укрупненных частиц. Наконец на последнем рисунке е видны уже отдельные крупные капельки, которые быстро упадут вниз, как только прекратится озвучивание.

Рис. 42. Коагуляция табачного дыма ультразвуком

Что же такое ультразвуковая коагуляция?

Как доказали советские ученые С. В. Горбачев и А. Б. Северный, при распространении звуковой волны между частичками дыма или тумана возникают силы притяжения.

Для того чтобы лучше понять природу этих сил, вспомним опыт, часто демонстрируемый в школах на уроках физики. Если на ниточках повесить на некотором расстоянии друг от друга два легких шарика из пластмассы, а затем дунуть между ними, шарики сблизятся и ударятся друг о друга. Подобное явление наблюдается и в том случае, если воздух будет неподвижен, а двигаться будут шарики. Сходные силы, возникающие в звуковой волне, и заставляют частицы дыма двигаться по направлению друг к другу, сталкиваться и, слипаясь, образовывать более крупные скопления частиц, или, как говорят, агрегаты.

Кроме того, более крупные частички дыма или тумана в силу большей массы отстают в своих движениях от более мелких, и в результате возрастает число соударений, ведущих к образованию крупных частиц.

Звуковая коагуляция уже используется в технике. Ультразвук применяют для улавливания мельчайших частичек сажи, в сернокислотной промышленности для осаждения тумана серной кислоты и т. п.

С помощью звуковых колебаний можно очищать от дыма, выходящего из фабричных труб, воздух городов и заводских поселков. Этот способ, несомненно, найдет широкое применение, так как с его помощью можно улавливать частицы, свободно проходящие через обычные очистительные фильтры.

Борьба с пылью и мельчайшими капельками различных химических соединений, попадающими в воздух из заводских труб, имеет огромное значение. Пыль приносит большой вред и окружающему населению, и животным, и растениям.

В промышленных установках для осаждения мелких частиц пользуются мощными звуковыми колебаниями, получаемыми при помощи специальных сирен.

Новый источник ультразвука

Мощная ультразвуковая сирена состоит из двух дисков: неподвижного — статора и быстро вращающегося — ротора.

Подвижный диск снабжен зубцами, которые приходятся против отверстий в неподвижном диске. При вращении ротора против отверстий в неподвижном диске оказываются попеременно то зубцы, то промежутки между ними. Если подвести, как это показано на рис. 43, к зубцам ротора сжатый воздух, то из отверстий статора вырвется прерывистая струя воздуха, которую рассекают зубцы вращающегося ротора. В воздухе, окружающем сирену, образуются чередующиеся сжатия и разрежения, то есть возникнет звуковая волна. Ультразвуковая сирена с диском, имеющим 110 зубцов, совершая 250 оборотов в секунду, создает волну с частотою, равной приблизительно 27 тысячам колебаний в секунду.

Рис. 43. Схема устройства ультразвуковой сирены

С помощью сирен можно получить чрезвычайно интенсивные звуковые и ультразвуковые колебания мощностью в несколько киловатт. Эта мощность настолько велика, что расположенный на пути звуковой волны кусок ваты через несколько секунд вспыхивает в результате превращения в теплоту поглощенной акустической энергии.

Предназначенные для очистки воздуха звуковые и ультразвуковые волны, полученные с помощью сирены, собираются в виде узкого луча специальными рефлекторами, напоминающими зеркала прожекторов (рис. 44). Сирена устанавливается на вершине специальной башни, и звуковая волна направляется сверху вниз.

Рис. 44. Рефлектор для фокусировки ультразвуковых волн

Схема установки для улавливания печной сажи изображена на рис. 45. Смесь, в результате сгорания которой получается сажа, из подогревателя 1 направляется в реакционную камеру 2. Образовавшаяся сажа, пройдя холодильник 3, попадает в звуковую колонну 4, на вершине которой и находится сирена.

Рис. 45. Схема установки для ультразвукового осаждения сажи

Установлено, что увеличивать размеры частиц следует только до тех пор, пока скорость их оседания не достигнет приблизительно полусантиметра в секунду. Не имеет смысла добиваться дальнейшего увеличения частиц потому, что крупные агрегаты в звуковой волне будут вновь измельчаться.

Воздух с укрупненными частицами поступает в обычные пылеуловители (циклоны) 5, где и осаждается основное количество сажи.

Частота звука, при которой осаждение частиц происходит особенно эффективно, зависит от их размера, и ее следует находить опытным путем.

Звуковым осаждением выгодно пользоваться, если диаметр улавливаемых частиц меньше одной тысячной доли сантиметра, а содержание их не ниже 4–5 граммов на кубический метр.

Как сообщает американская печать, ультразвуковые сирены с успехом применили в технике для покрытия глазурью изделий из фарфора и керамики. Предполагают, что в этом случае действие сирен не ограничивается только распылением, играет роль также и то, что под влиянием ультразвуковых волн вещество нагревается.

Естественно, возникает вопрос: нельзя ли с помощью ультразвука ускорить осаждение твердых частиц, взвешенных в жидкости. Этот вопрос практически очень важен для многих производств, на которых приходится выжидать длительное время, пока полученный продукт, загрязненный примесью твердых частиц, осветлится настолько, что его можно будет направить потребителю. Кроме того, часто сточные воды заводов приходится первоначально направлять в отстойники, в которых оседают вредные примеси, находящиеся в воде в виде твердых частиц, и лишь после этого спускать воду в реку. Если осаждение частиц ускорится, то размеры необходимых для производства отстойников уменьшатся, сократится и время, в течение которого уже готовый продукт сохраняется на заводе для осветления. Как можно было ожидать, ультразвуковые и звуковые колебания действительно ускоряют осаждение твердых частиц. Практическое использование этого способа тормозится в основном отсутствием ясности в вопросе о том, какие частоты и мощности звуковых колебаний необходимы для успешного осаждения частиц и какой будет экономический эффект от применения ультразвука.

Ультразвуки и металлургия

Частично об использовании ультразвуков при обработке металлов и об их влиянии на свойства металлов уже рассказано. Однако область применения ультразвуков непрерывно расширяется, и наш рассказ будет неполным, если не упомянуть хотя бы кратко о тех воздействиях ультразвука на металл, которые, возможно, в недалеком будущем найдут себе практическое применение.

Звуковые колебания помогают освободить расплавленный металл от обычно присутствующего в нем воздуха. На рис. 46 показаны разрезы двух образцов сплава магния с алюминием. Левый слиток затвердел в обычных условиях, а правый — при озвучивании. Хорошо видны большие воздушные пузыри, возникшие в неозвученном слитке. Образец, который до затвердевания озвучивался в течение часа, отличается большей однородностью и отсутствием воздушных пузырей. Естественно, что механические свойства такого слитка гораздо выше, чем того, в котором имеются воздушные пузырьки.

Рис. 46. Обезгаживание[2] металлов при озвучивании

Технологи заметили, что если в расплавленный металл добавить сравнительно небольшое количество мелко раздробленных частиц другого металла, например свинца в алюминий, и дать затвердеть образовавшейся металлической эмульсии, то получается сплав с ценными технологическими свойствами. Подобную металлическую эмульсию можно получить или химическим способом, или при помощи ультразвукового дробления. На рис. 47 изображены разрезы двух образцов алюминия, в которые вкраплены мельчайшие зернышки свинца. Левый образец получен химическим способом, правый — при помощи ультразвукового дробления. Ясно видно, что с помощью ультразвука достигается гораздо более мелкое дробление свинца и более равномерное распределение его в алюминии. Иногда с помощью ультразвука достигается столь мелкое дробление свинца, что даже повторное плавление не вызывает разделения металлов.

Рис. 47. Диспергирование свинца в алюминии

В некоторых случаях озвучивание значительно ускоряет важные для металлургии процессы, дает возможность осуществить их при более низких температурах.

При медленном охлаждении предварительно нагретых образцов стали происходит изменение кристаллической структуры металла. В определенных условиях озвучивание нагретого, но твердого образца стали вызывает уменьшение среднего размера микрокристалликов и улучшение механических свойств металла. В других условиях, наоборот, наблюдается рост более крупных кристаллов. Выяснение природы действия ультразвука на процессы, происходящие в металлах, будет способствовать более широкому использованию его в металлургической промышленности для получения высококачественных металлов и сплавов и интенсификации металлургических процессов.,

Ультразвук помогает интенсифицировать производство

Ультразвуки обладают способностью ускорять, или, как говорят, интенсифицировать, многие важные для промышленности операции. На химических заводах сплошь и рядом приходится извлекать ценные вещества, растворенные в какой-либо жидкости. Иногда для этого жидкость смешивают с другой жидкостью, которая в ней не растворяется, но в которой растворяется извлекаемое вещество. Такой процесс называют экстракцией, он осуществляется в экстракционных колоннах, снабженных специальной насадкой или наполненных фарфоровыми кольцами.

Более легкую жидкость подводят к колонне снизу, более тяжелую — сверху. Проходя внутри колонны навстречу друг другу, жидкости хорошо перемешиваются, и растворенное вещество переходит из одной жидкости в другую. Чем труднее экстрагируется вещество, тем дольше должны жидкости находиться в соприкосновении друг с другом и тем выше должна быть колонна. Оказалось, что если заставить колонну совершать колебания, скорость экстракции значительно возрастет. Колебания колонны и наполняющей ее жидкости настолько ускоряют экстракцию, что высота колонны, необходимая для практически полного извлечения вещества, сокращается почти в три раза.

Еще эффективнее действуют ультразвуки в тех случаях, когда приходится извлекать ценные вещества, содержащиеся в клетках организмов животных и растений. С их помощью удается увеличить извлечение ценных белковых веществ из клеток дрожжей, ускорить выделение активных ферментов. Это свойство ультразвуков уже нашло себе практическое применение в пивоварении. Озвучивание горячей смеси, в которую добавлен хмель, позволяет, как утверждают работники предприятий, производящих пиво, сэкономить до 40 процентов хмеля в результате более полного извлечения из него ценных для пивоварения веществ.

Большие возможности для использования ускоряющего действия ультразвуков открываются в кожевенной промышленности. Прежде чем превратиться в красивые туфли или ботинки, шкура животного должна пройти сложную обработку: ее моют водой и щелочами, с нее удаляются волосы, кожу дубят, окрашивают и т. д. Как правило, большинство этих процессов протекает очень медленно. Ультразвуки могут их ускорять во много раз. Так, например, опытное дубление образца кожи, которое производилось при одновременном действии ультразвука, потребовало всего 18 часов, в то время как на контрольном образце, который не озвучивался, процесс закончился только через 114 часов. Озвучивание обеспечивает равномерную обработку всего образца. Можно предполагать, что ультразвуковые колебания будут ускорять и другие процессы кожевенного производства.

Опыты показали, что ультразвуковые и звуковые колебания ускоряют окраску различных тканей и поэтому могут использоваться для интенсификации процессов крашения. В некоторых случаях можно с равным успехом пользоваться как ультразвуковыми, так и звуковыми колебаниями, а в некоторых случаях, в частности при крашении трудноокрашиваемых тканей, только ультразвуковыми. Применение звуковых колебаний для ускорения крашения в больших промышленных масштабах пока затрудняется отсутствием соответствующих аппаратов и необходимостью выяснить некоторые технические и экономические вопросы.

Чем объясняется ускоряющее действие ультразвука, точно еще не выяснено. Вероятно, оно связано с изменениями в том слое, где соприкасаются две жидкости или жидкость и твердое тело. Эти же изменения, возможно, являются причиной увеличения скорости отдачи тепла нагретым телом окружающему его воздуху, если воздух заставить совершать звуковые колебания. Как показывают опыты, скорость отдачи тепла, при прочих равных условиях, увеличивается в несколько раз при обдувке нагретого тела воздухом, совершающим звуковые колебания. Правда, при ускорении теплоотдачи, возможно, играют значительную роль также те течения воздуха, которые возникают в нем при распространении интенсивных звуковых колебаний. Отдача тепла повышается и в том случае, если заставить колебаться само нагретое тело. Как предполагают, при этом прилегающий к телу нагретый слой растягивается, его граница как бы увеличивается. В зарубежной литературе есть сведения, что способность звуковых колебаний увеличивать теплоотдачу уже находит себе практическое применение.

Флюидизация

В последние годы в различных областях техники большое значение приобрел особый процесс, с помощью которого измельченные твердые тела удается заставить течь по трубам так, как если бы они были жидкостью, скажем, нефтью или керосином. Этот процесс назвали флюидизацией, от латинского слова «флюид», что означает «истечение».

Флюидизация важна не только потому, что она облегчает транспортировку самых различных материалов, начиная от твердого топлива и кончая хлебным зерном, но и потому, что благодаря ей удается осуществить многие ценные химические превращения. Особенно велико ее значение при переработке нефти с целью получения бензина. В одном из подобных процессов необходимые для реакции вещества, так называемые катализаторы, находятся во флюидном состоянии.

С успехом используется флюидизация и в других отраслях химической промышленности: при газификации угля, обжиге руд, приготовлении некоторых ценных химических продуктов… Для того чтобы флюидизировать какой-либо материал, его измельчают, насыпают не очень толстым слоем на специальную решетку и затем создают мощный поток воздуха или какого-либо другого газа, который заставляет частицы твердого вещества как бы парить в воздухе. Толщина слоя твердого материала («подушки») при этом увеличивается, твердое вещество занимает больший объем, и вся масса материала приобретает способность течь вместе с потоком воздуха, наподобие жидкости.

Однако не всегда легко флюидизировать материал. Иногда вместо флюидизации весь слой материала на решетке первоначально поднимается под давлением воздуха вверх, подобно поршню, затем разламывается и падает кусками вниз на решетку. При этом не возникает равномерного слоя материала, который существовал до того. В «подушке» образуются каналы, свободно пропускающие воздушный поток, в то время как вся масса материала неподвижно лежит на решетке. Как показал опыт, и в этом случае можно добиться флюидизации, если пропустить через слой материала интенсивные звуковые колебания. Конечно, при этом не следует пользоваться быстро затухающими в воздухе ультразвуками. Вполне удовлетворительные результаты можно получить с помощью достаточно интенсивных звуков низкой частоты, скажем, с частотой от 50 до 500 колебаний в секунду.

При озвучивании удается флюидизировать даже такие материалы, как мелко измельченный гипс, частицы которого при обычных условиях невозможно заставить парить. Под действием звуковых колебаний ранее плотный слой гипса за несколько секунд расширяется и приобретает способность течь.

Можно быть уверенным, что ультразвуковое осаждение и улавливание мелко раздробленных частиц, так же как ультразвуковая обработка твердых материалов, облегчение флюидизации и интенсификация химических процессов, найдут широкое применение в различных отраслях техники.

Глава 6.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ

Звук-браковщик

Человек уже очень давно научился использовать звуки для контроля качества различных изделий. В магазине и сейчас продавец, прежде чем завернуть в бумагу купленный стакан, щелкает его слегка пальцем, чтобы по звуку определить, нет ли трещины.

Так же, постукивая легким молоточком по ободу колеса железнодорожного вагона, осмотрщик проверяет, цело ли оно. Звенящий звук металла становится глухим в том случае, если в колесе есть дефект.

Но эти методы контроля грубы, несовершенны.

По характеру звука можно установить наличие трещины, но сказать, сплошные ли стенки у стакана, нет ли в них вкрапленных пузырьков воздуха, нельзя.

Наиболее важные части машин обычно металлические. Размеры их бывают велики. При изготовлении таких деталей могут образоваться изъяны. При отливке иногда возникают пустоты, наполненные воздухом, так называемые раковины. Могут оказаться внутри металла куски шлака или камня, случайно попавшие в форму для отливки. При сборке или в процессе работы в отдельных деталях иногда появляются так называемые «усталостные» трещины и т. д.

Подобные дефекты сильно снижают прочность детали. В ответственных частях машин, таких, например, как паровозные оси, коленчатые валы, винты самолетов, наличие дефектов совершенно недопустимо. Понятно поэтому, как важно вовремя распознать скрытые дефекты, отделить доброкачественные детали от негодных.

Советский Союз является родиной одного из наиболее совершенных способов обнаружения изъянов в различных деталях — ультразвукового контроля качества изделий. Советские ученые первыми в мире применили для обнаружения дефектов неслышимые звуки.

Всевозможные методы отыскания дефектов объединяют общим названием — дефектоскопия (дефект — недостаток, скопео — смотрю).

В наше время применяют два способа ультразвукового контроля, а именно: способ «сквозного прозвучивания» и способ, в котором используются отраженные ультразвуковые сигналы.

Метод сквозного прозвучивания

Чтобы обнаружить дефекты, сравнительно давно уже пользуются просвечиванием исследуемой детали с помощью рентгеновских лучей или гамма-лучей, испускаемых радиоактивными веществами.

Чем же, собственно, вызвана необходимость применять для той же цели ультразвуки?

Рентгеновские лучи, даже наиболее мощные, проникают в толщу металла всего на 20–30 сантиметров. Поэтому ими можно исследовать лишь сравнительно небольшие детали.

Кроме того, рентгеновские или гамма-лучи обнаруживают лишь относительно большие дефекты. Например, если исследуемая деталь имеет толщину 20 сантиметров, то просвечивание позволяет найти трещины размером не меньше 4 миллиметров. А такие трещины очень редки. Трещины же меньших размеров, обычно встречающиеся в производстве, с помощью рентгеновского просвечивания обнаружить не удается.

Иначе обстоит дело с ультразвуком. Ультразвуковые волны, почти не ослабляясь, проходят значительные толщи металла.

Но если на пути луча попадается даже тонкая трещина, ультразвуковая волна сильно теряет в мощности, давая тем самым возможность обнаруживать самые незначительные дефекты.

Именно это свойство использовал талантливый советский ученый С. Я. Соколов в первых приборах, построенных им для целей ультразвукового контроля.

Проверяющий качество изделия рабочий прикладывает ультразвуковой излучатель к одной из поверхностей исследуемого образца, как изображено на рис. 48. К противоположной поверхности, как раз напротив излучателя, прижимается приемник.

Рис. 48. Метод сквозного прозвучивания

Если в детали нет дефектов, ультразвуковая волна движется прямолинейно, пока не достигнет противоположной грани, приемник регистрирует приход ультразвуковых колебаний, и стрелка прибора отклоняется.

Какой-либо дефект, попавшийся на пути распространения ультразвука, например трещина в металле или наполненная воздухом раковина, явится препятствием для распространения луча, ультразвук не дойдет до приемника, и стрелка прибора отклоняться не будет.

С помощью такого прозвучивания можно обнаруживать дефекты в деталях размером в несколько метров, которые невозможно исследовать другими способами. Этим способом, например, проверялось качество соединений в мостовых фермах.

Однако сквозное прозвучивание имеет и ряд недостатков.

Ультразвуковая волна, посланная в металлическую деталь, движется прямолинейно, пока не достигнет ее противоположной грани, затем отражается и бежит обратно. На своем пути она встречает волну, идущую навстречу ей от излучателя, и складывается с нею. В результате возникает сложное волновое движение, которое сильно затрудняет наблюдение.

Влияние отраженных волн — главный недостаток подобных приборов. Кроме того, на приемник действует электромагнитная волна, излучаемая генератором ультразвука, которая может вызвать появление сигнала даже в тех случаях, когда на пути расположен дефект.

Недостатком этого способа является и то, что, обнаружив какой-либо изъян, мы не можем сказать, на какой глубине он находится.

Часто при исследовании отдельных частей уже готовых машин имеется доступ только к одной грани проверяемой детали, в то время как для обнаружения дефекта необходимо прижать излучатель и приемник ультразвука одновременно к двум противоположным граням.

Все это привело к тому, что в настоящее время получил распространение еще и другой способ контроля, способ отражательной дефектоскопии.

Отражательный дефектоскоп

В отражательном дефектоскопе, изобретенном также С. Я. Соколовым, используется тот же принцип, что и в ультразвуковых локаторах.

Рис. 49. Схема отражательного дефектоскопа

В исследуемую деталь, как показано на рис. 49, посылается очень короткий ультразвуковой сигнал, или, как говорят, импульс 1. Импульс бежит внутри детали до противоположного конца, до ее «дна», и, отражаясь, возвращается в виде эхо-сигнала 3 к пославшей его кварцевой пластинке. С помощью осциллографа ультразвуковое эхо делается видимым, совершенно так же, как в ультразвуковых локаторах.

Когда на пути луча встречаются трещины или пустоты, рисунок эхо-сигнала меняется (2), и рабочий, испытывающий деталь, узнает таким образом, что она не годится.

На рис. III, а изображен вид эхо-сигнала на экране осциллографа при ультразвуковом исследовании одной из деталей. На этом рисунке зарегистрированы лишние (по сравнению с нормальной деталью) изгибы. После распиловки детали в ней был действительно обнаружен изъян (рис. III, б).

Рис. III.

а — вид эхо-сигналов; б — соответствующий им дефект; в — эхо-сигналы, отраженные от неоднородности металла, д — дефект в сварном шве, обнаруженный отражательным дефектоскопом

Величина отраженного сигнала, пришедшего от дефекта, может дать представление о его размерах.

Расстояние между изгибами луча на экране осциллографа, соответствующими посылке сигнала и приходу сигнала, отраженного от дефекта, позволяет определить, на какой глубине находится последний.

Если в детали несколько трещин или раковин, расположенных одна за другой на пути ультразвукового луча, то на экране осциллографа появится несколько эхо-сигналов в той же последовательности, в которой соответствующие изъяны расположены в детали.

Сейчас советская промышленность производит несколько типов отражательных дефектоскопов, применяя которые заводы обеспечивают высокое качество выпускаемой продукции.

С помощью отражательного дефектоскопа можно исследовать и очень большие детали, размером около 10 метров.

Советские ученые применили для дефектоскопии очень короткие сигналы, продолжительность которых составляет десятимиллионные доли секунды. Это позволяет обнаруживать мельчайшие дефекты в металлических изделиях.

Надо иметь в виду, что ультразвуковое эхо будет возникать при наличии в детали не только явных изъянов, но также и различных неоднородностей: областей, где металл более рыхлый, или крупных кристаллов, возникших при затвердевании металла, и т. п. На рис. III, в видны большие, правильной формы отметки, соответствующие многократному возвращению эхо-сигнала от дна исследуемой детали. На том же рисунке хорошо видны неправильной формы сигналы, которые возникли благодаря нарушению однородности в структуре металла.

Свободный от всяких дефектов кусок металла состоит из отдельных маленьких кристалликов, крепко спаянных друг с другом, и ультразвуковой дефектоскоп дает возможность по величине «донного» сигнала, как называют сигнал, отраженный от грани, противоположной той, к которой приложен излучатель ультразвука, сделать заключение о размерах этих мельчайших кристалликов.

Такая особенность ультразвукового дефектоскопа очень важна, так как при изготовлении некоторых особенно ответственных деталей может иметь значение размер микрокристалликов, и даже при отсутствии трещин или раковин деталь, изготовленная из крупнозернистого металла, должна быть забракована.

Если размеры кристалликов близки к длине ультразвуковой волны, то деталь будет «не прозрачна» для ультразвука так же, как не прозрачен для света туман, состоящий из мельчайших капелек воды. В этом случае донный сигнал вообще отсутствует.

На рис. 50 изображена зависимость интенсивности прошедших через образец ультразвуковых сигналов от размеров кристаллов. Рядом даны микрофотографии образцов, соответствующих точкам б и в верхней кривой. Ясно видно, что с увеличением размера кристалликов интенсивность прошедших ультразвуковых импульсов уменьшается.

Рис. 50. Зависимость интенсивности прошедших импульсов от размера кристалликов

Импульсным дефектоскопом мы можем проверять качество деталей не только в процессе их изготовления, но и тогда, когда они уже являются частью собранной машины или какого-либо сооружения. Так, например, можно проверить качество важных деталей самолета, так называемых лонжеронов, которые представляют собою длинные балки из дюралюминия. Прижав излучатель к одному концу лонжерона, проверяющий конструкцию рабочий внимательно следит за отраженным сигналом. Если дефекты отсутствуют, появится только одно эхо от противоположного конца лонжерона; добавочные же отражения свидетельствуют о наличии брака. Советские исследователи применили этот способ контроля для обнаружения трещин, возникающих иногда в железнодорожных рельсах. Ультразвуковой дефектоскоп настолько точно обнаруживает изъян, что рельс заменяют без дальнейшего исследования. Такой метод ускоряет контроль в 5–6 раз. Им пользуются на железных дорогах Советского Союза.

Обнаружение дефектов с помощью эхо-сигналов имеет один существенный недостаток.

Мы не можем расслышать эхо, отраженное от предметов, расположенных очень близко к нам. Так, если отражающая поверхность, например стена большого дома, находится от нас на расстоянии около 100 метров, то, крикнув короткое слово, мы еще сможем услышать его повторение. Если же произнесем длинное слово, например «баррикада», то ясно услышим в виде эха только конец слова — «ада». Объясняется это тем, что эхо, соответствующее началу слова, вернется к нам еще до того, как мы кончим его произносить, и, смешавшись со звуком нашего голоса, не будет расслышано. Если же препятствие, отражающее звук, расположено еще ближе, мы не услышим четкого эха и конца слова.

Сходные явления наблюдаются и при ультразвуковой дефектоскопии: бывает трудно обнаружить изъяны в каком-либо массивном образце, если они расположены почти у самой поверхности. Промежуток времени, отделяющий посланный и отраженный импульсы, в этом случае очень мал, и отраженный сигнал может прийти до того, как закончился посылаемый. На экране осциллографа изгибы, соответствующие посланному и отраженному сигналам, сольются в этом случае в один общий изгиб. Для преодоления этого затруднения прибегают к устройству так называемой механической задержки.

Механическая память

Механическая задержка, или, что то же самое, механическая линия задержки (рис. 51), представляет собой стержень, помещаемый между излучателем и исследуемой деталью. Таким способом удается увеличить расстояние между излучателем и дефектом, а следовательно, и промежуток времени между посылкой сигнала и приходом эха. С помощью механической задержки можно обнаружить изъяны, расположенные всего в 6 миллиметрах от поверхности.

Рис. 51. Механическая задержка

Механические линии задержки имеют и другое очень интересное применение: они составляют одну из важных частей замечательных счетных машин, построенных в последнее время, машин, быстро выполняющих различные сложные математические вычисления.

В процессе вычисления нам часто приходится «держать в уме» какие-то числа, для того чтобы ввести их в действие, когда это будет необходимо. Нечто подобное должна уметь делать и счетная машина, в которой математические вычисления выполняются в результате последовательных электрических сигналов. Чтобы машина что-либо «держала в уме», необходимо задержать соответствующий электрический сигнал, пока другие сигналы не выполнят необходимых вычислений. Это удается сделать, превратив с помощью кварцевой пластинки электрический сигнал в ультразвук и направив этот последний в линию задержки, представляющую собой в простейшем случае обычную трубочку, наполненную ртутью. На противоположном конце линии задержки ультразвук с помощью второй кварцевой пластинки вновь превращается в электрический сигнал.

За то время, пока ультразвуковой сигнал двигается вдоль линии задержки, счетная машина успевает выполнить различные операции, к результату которых и прибавится сигнал, возникший после обратного превращения ультразвука в электрический импульс. Изменяя длину пути ультразвука, можно заставить счетную машину «держать в уме» результат каких-либо вычислений столько времени, сколько нужно: чем длиннее путь, проходимый ультразвуком, тем дольше «помнит» машина.

Ультразвуковые линии задержки используются также в радиолокаторах — замечательных приборах, позволяющих обнаруживать удаленные предметы, например приближающиеся самолеты, с помощью электромагнитных, или, как мы часто говорим, радиоволн.

Надо признаться, что, рассказывая об ультразвуковой дефектоскопии, мы сознательно умолчали о трудностях, которые встречаются в этой области, выдвигая на первый план ее возможности.

Остановимся же теперь кратко на затруднениях.

Преодоление препятствий

Очень большое практическое значение имеет проверка доброкачественности сварных швов, которыми соединяются металлические листы или детали конструкций. В подобном шве всегда могут оказаться дефекты, однако обнаружить их трудно, потому что на практике поверхность сварного шва всегда бывает неровной, и нельзя осуществить хороший контакт между нею и излучателем ультразвуковых сигналов.

Один из способов ультразвуковой дефектоскопии шва изображен на рис. 52. Излучатель и приемник ультразвуковых сигналов располагаются на специальных призмах рядом со швом, там, где поверхность образца гладкая.

Рис. 52. Дефектоскопия сварного шва

Благодаря расположению излучателя на призме ультразвуковой сигнал входит в исследуемый образец наклонно к его поверхности. Достигнув противоположной поверхности, ультразвуковой сигнал отражается, и приемник регистрирует донный сигнал. Если дефект расположен горизонтально, приемник фиксирует добавочное эхо. Если дефект расположен вертикально, донный сигнал или ослабляется, или вовсе исчезает.

На рис. III, д приведен разрез сварного шва со шлаком, обнаруженным в нем ультразвуковым дефектоскопом. Так как в этом случае дефект расположен горизонтально, он был замечен по появлению эхо-сигнала, опережавшего донный сигнал.

В тех случаях, когда ультразвуковая волна падает наклонно к поверхности твердого тела, возникают осложнения. Дело в том, что волны могут быть двух родов: продольные и поперечные. В продольных волнах отдельные частицы вещества, смещаясь то вперед, то назад, колеблются в том же направлении, в котором распространяется волна. В поперечных волнах частицы колеблются в направлении, перпендикулярном распространению волны, так что если волна бежит в горизонтальном направлении, частицы колеблются в вертикальном направлении, двигаясь вверх и вниз.

Звуковые волны в газах и жидкостях — это продольные волны. Но в тех случаях, когда ультразвуковой луч входит в исследуемую деталь наклонно к ее поверхности, в металле возникает, кроме продольной волны, еще и поперечная, причем она распространяется со скоростью почти в два раза меньшей, чем продольная. Естественно, что распространение волн двух видов приводит к возникновению двух эхо-сигналов.

Если учесть все осложнения в результате многократного отражения волн и их взаимодействия друг с другом, станут понятными затруднения, возникающие в некоторых специальных случаях дефектоскопии, в частности при исследовании сварных швов.

Ученые преодолели эти затруднения. Помещая между излучателем и исследуемой деталью специальной формы промежуточную призму (рис. 53), они заставили продольную волну полностью отражаться от поверхности образца. Отраженная продольная волна гасится специальным приспособлением, и в толщу металла проникает только поперечная. Таким способом удается упростить ультразвуковое исследование многих важных деталей.

Рис. 53. Полное внутреннее отражение продольной волны

К наклонному падению ультразвукового луча приходится прибегать не только при исследовании сварных швов.

Чувствительность ультразвукового дефектоскопа позволяет определять глубину закаленного слоя металла.

Как известно, многие части машин подвергают закалке, чтобы придать им повышенную твердость. Для этого не обязательно закалять всю деталь целиком; достаточно закалить лишь ее внешний слой.

При определении глубины закаленного слоя, как и при исследовании сварных швов, ультразвуковой луч вводят наклонно к поверхности металла. Ультразвуковой сигнал отражается от границы закаленного и незакаленного слоев. По интенсивности эхо-сигнала можно составить представление о качестве закалки.

Ультразвук ставит диагноз

Методы ультразвуковой дефектоскопии можно применить в медицине. Обычно для этой цели успешно пользуются просвечиванием рентгеновскими лучами. Однако просвечивание головного мозга рентгеновскими лучами затруднительно. Лучи плохо проникают через черепную коробку.

Иначе обстоит дело с ультразвуком. Ультразвуковым колебаниям черепная коробка оказывает сравнительно небольшое сопротивление, и поэтому естественно было попытаться вместо рентгеновских лучей применить ультразвуки. Хотя в этом направлении сделаны только первые шаги, но и они заслуживают того, чтобы о них рассказать.

Поглощение ультразвуковых лучей различными частями мозга различно. Поэтому для изучения строения мозга попытались применить сквозное прозвучивание. В частности, таким методом удается исследовать строение мозговых желудочков. При исследовании мозга ученые пользуются ультразвуком очень малой мощности. Такой ультразвук совершенно безвреден, как безвреден обычный слышимый звук.

На рис. 54 изображено сравнение рентгеноскопического и ультразвукового исследования мозга. Заштрихованные области соответствуют расположению мозговых желудочков, найденному с помощью рентгеновского исследования. Ниже изображена интенсивность ультразвуковых сигналов, прошедших через мозг при прозвучивании. Прозвучивание производилось вдоль линии, приблизительно делящей мозг пополам. При перемещении излучателя и приемника ультразвука вдоль линии хх расстояние между ними меняется, так как мозг имеет округлую форму. Относительно большая интенсивность прошедшего сигнала в левой части рисунка объясняется тем, что путь ультразвукового луча в мозговом веществе был невелик. По мере увеличения этого пути интенсивность принятого сигнала падает вплоть до точки е. Два пика интенсивности С и В соответствуют заштрихованным областям справа и слева от точки d на верхнем рисунке. Путь луча в этих случаях проходит через мозговые желудочки, и поглощение колебаний невелико. Когда ультразвук выходит из области расположения мозговых желудочков, интенсивность прошедших через мозг импульсов вновь уменьшается. Это и наблюдается в точках c и b.

Рис. 54. Прозвучивание мозга

Интенсивный сигнал А соответствует опять же заштрихованной области на верхней диаграмме, то есть области мозгового желудочка. После точки а интенсивность прошедшего через мозг сигнала увеличивается, но не вследствие изменения поглощения звука в мозговом веществе, а как результат уменьшения длины пути, проходимого ультразвуковым лучом. При прозвучивании мозга возникают некоторые трудности. Ультразвуковые сигналы отражаются от черепной коробки и, складываясь с посылаемыми сигналами, изменяют их мощность. Чтобы уменьшить осложнения в работе, пользуются специальной камерой. Излучатель полностью изолирован от отделения камеры, где помещен приемник ультразвука. С помощью такого аппарата, снабженного устройством для записи, можно получить ультразвуковую диаграмму расположения мозговых желудочков.

Для обнаружения и распознавания злокачественных опухолей более эффективным оказалось применение прибора, очень похожего на отражательный дефектоскоп. На пути к решению этой задачи встретилось очень много затруднений. Сложное строение тканей человеческого организма приводило к тому, что при прозвучивании возникало множество эхо-сигналов, разобраться в природе которых было исключительно трудно.

Однако затруднения не остановили исследователей, и в конце концов, как сообщают зарубежные журналы, настойчивость ученых была вознаграждена. В результате многочисленных опытов было установлено, что можно отличить эхо-сигналы, приходящие от нормальной ткани, от эхо-сигналов, приходящих от ткани, пораженной опухолью. Более того, при обнаружении опухоли характер эхо-сигналов позволил устанавливать и ее природу. Если эхо-сигналы были менее плотными, чем от нормальной ткани, это указывало на то, что обнаружена доброкачественная опухоль. Раковая опухоль, наоборот, обнаруживалась как область более плотных сигналов на ослабленном фоне.

Преимущества нового метода сделались особенно ясными, когда ультразвуковому исследованию был подвергнут больной, у которого лечащие врачи не могли обнаружить опухоль, но подозревали, что она существует, поскольку в ткани наблюдался воспалительный процесс. С помощью ультразвука удалось обнаружить совсем небольшую, но, судя по характеру ультразвуковых сигналов, несомненно злокачественную опухоль. Последующая операция подтвердила правильность диагноза. У больного была удалена раковая опухоль размером всего в 7 миллиметров! Ничтожные размеры опухоли не давали возможности обнаружить ее обычными способами.

Злокачественная опухоль может возникнуть в самых различных органах, однако, как показывают наблюдения, она чаще возникает в определенных частях организма, которые и необходимо подвергать контролю в первую очередь. Распространенной формой злокачественной опухоли является рак груди, и естественно, что один из первых аппаратов для ультразвуковой диагностики рака был предназначен для обнаружения именно этой формы заболевания. Этот аппарат снабжен миниатюрным излучателем ультразвуковых импульсов с частотой 15 миллионов колебаний в секунду, посылаемых один за другим через очень короткие промежутки времени, исчисляемые тысячными долями секунды. Возникающие ультразвуковые эхо-сигналы превращаются в световые и наблюдаются на экране электронно-лучевой трубки. Очень сложное радиотехническое устройство заставляет лучик в электроннолучевой трубке перемещаться таким образом, что на экране возникает изображение, которое соответствует тому, что можно было бы увидеть, если разрезать исследуемую ткань по направлению ультразвуковых сигналов. При этом на изображении, возникающем на экране, более интенсивным эхо-сигналам соответствуют более светлые участки, а менее интенсивным — темные. Мы видим, что описанное ультразвуковое изображение отличается от рентгеновского, при котором то, что наблюдается на экране, соответствует плоскости, перпендикулярной рентгеновскому лучу, в то время как ультразвуковое изображение — плоскости, совпадающей с лучом.

Излучатель импульсов непрерывно движется взад и вперед в наполненной дистиллированной водой камере, затянутой тончайшей резиной. Камера располагается на исследуемом участке поверхности человеческого организма, и ультразвуковые импульсы исследуют прилегающую к поверхности часть ткани так же, как можно исследовать глубину пруда, опуская в воду гирю, привязанную к бечевке. В обоих случаях исследование ведут, перемещаясь от одной точки к другой, всякий раз замечая результат измерений. При этом при измерении глубины веревка, а в описываемом приборе ультразвуковой импульс всегда перпендикулярны к поверхности, сквозь которую они направляются на разведку. Вода, наполняющая камеру, — прекрасный проводник ультразвуковых сигналов, а тонкая резиновая перепонка хорошо прилегает к человеческой ткани, облегчая прохождение сигнала.

Вполне понятно, что аппарат, выполняющий такие сложные операции, не может быть простым. Помимо механических приспособлений, обеспечивающих непрерывное движение излучателя, прибор имеет очень сложную электронную часть, содержащую несколько десятков радиоламп. Глубина, на которую можно проникнуть в человеческий организм с помощью описанного прибора, ограничена следующими обстоятельствами. Первое и наиболее интенсивное эхо возникает на границе воды, наполняющей камеру с резиновой перепонкой, являющейся ее дном. Достигнув излучателя, этот эхо-сигнал вновь отражается, после чего движется в том же направлении, что и сигналы, посылаемые излучателем, ничем от них не отличаясь. Отразившись второй раз от резиновой перепонки, сигнал дает начало второму эху, которое будет маскировать слабые эхо-сигналы, приходящие от тканей, расположенных в глубине человеческого организма. Это маскирующее действие повторного эха и ограничивает глубину получаемого изображения. Описанным способом можно исследовать ткань приблизительно на глубину трех с половиной сантиметров, что во многих случаях вполне достаточно. Сочетая возвратно-поступательное движение излучателя с медленным перемещением его в поперечном направлении, врач может тщательно обследовать подозрительный в отношении возникновения опухоли участок ткани. Таким именно способом была обнаружена та небольшая раковая опухоль, о которой говорилось выше. На рис. 55 воспроизведено изображение, полученное в этом случае на экране аппарата при исследовании воспаленного участка ткани. Раковая опухоль видна в виде светлой области на таком расстоянии от излучателя, на котором нормальная ткань вызывает менее плотные эхо-сигналы. Конечно, в значении подобных ультразвукограмм может разобраться только специалист, так же как и в значении рентгеноскопического изображения пораженного туберкулезом легкого.

Рис. 55. Звуковое изображение раковой опухоли

Не всегда, однако, врач может воспользоваться описанным прибором. Так, например, при исследовании мозга приходится снимать часть черепной коробки с таким расчетом, чтобы резиновая перепонка камеры, в которую помещен излучатель, пришла в непосредственное соприкосновение с мозгом. Если бы в этом случае излучатель, исследуя ткань, перемещался по ее поверхности, пришлось бы удалять значительную часть черепа. В этом случае удобнее поступить так, как поступает наблюдатель, стоящий на холме и осматривающий горизонт. Ведь не перемещается же он при этом вдоль горизонта. Наблюдатель просто поворачивает голову и присматривается к различным участкам горизонта. Такой способ обследования также используется при ультразвуковом обнаружении опухолей в человеческом организме. В аппаратах этого типа специальный механизм заставляет излучатель ультразвуковых импульсов непрерывно поворачиваться, посылая сигналы внутрь организма под разными углами. Конструктивно такого рода приборы более сложны, но зато они позволяют исследовать относительно большие участки организма без перемещения излучателя вдоль обследуемой поверхности.

Как показывает практика, злокачественные опухоли часто возникают в желудке. Поэтому американские ученые сконструировали аппарат специально для исследования желудка. В этом аппарате миниатюрный излучатель ультразвуковых сигналов укрепляется в конце длинной трубки-зонда из мягкой резины. Внутри трубки проходят провода, соединяющие излучатель с остальной аппаратурой, а также устройство, управляющее излучателем.

Излучатель находится в камере из тончайшей резины. Человек, которому необходимо исследовать желудок, проглатывает зонд с излучателем. Камера наполняется водой. Гибкая резиновая пленка плотно прилегает к стенкам желудка, обеспечивая прохождение ультразвуковых сигналов и давая возможность исследовать особенности ткани стенок желудка. Принцип работы этого аппарата напоминает принцип работы ультразвукового эхолота. Однако если в случае эхолота мы имеем дело с океаном и интересуемся только профилем дна, то здесь путь ультразвукового луча ограничен всего небольшой частью человеческого организма, но зато мы пытаемся проникнуть, если так можно выразиться, глубже дна — исследовать строение ткани человеческого организма.

С помощью ультразвукового исследования удается обнаруживать возникновение не только злокачественных опухолей, но и других болезненных изменений ткани. Слабые ультразвуки безвредны для организма, однако мощные ультразвуковые колебания вызывают глубокое разрушение живой ткани. Это, казалось бы, губительное действие ультразвука было предложено использовать в экспериментальной биологии и медицине в конечном счете на благо человека. Замечательные результаты, достигнутые в этом направлении, тесно связаны с возможностью получения ультразвуковой волны в виде узкого луча. Фокусируя в одной точке ультразвуковые лучи, идущие от нескольких излучателей большой мощности, можно создать сравнительно резко ограниченную область, в которой действие ультразвука на живую ткань будет исключительно сильным. Таким способом врач может воздействовать и, если это необходимо, даже разрушить отдельные участки ткани внутренней части головного мозга, относительно слабо затрагивая при этом клетки, сосредоточенные в коре головного мозга, которая играет такую важную роль в высшей нервной деятельности животных и человека. Подобные исследования пока ограничены опытами над животными, но нет оснований сомневаться в том, что развитие их может иметь исключительно большое значение для человека.

Несомненно, что в ближайшем будущем ультразвуковые приборы, предназначенные для исследования человеческого организма и воздействия на него, будут значительно усовершенствованы и сделаются ценными помощниками врачей при определении заболевания, выборе способов лечения болезни, а иногда и воздействия на больной организм.

Как ультразвук помогает исследовать строение земли

Изучение строения земли — увлекательная область знания. Но проникнуть в недра земли очень трудно: бурением мы можем уйти лишь на глубину, ничтожную по сравнению с размерами земли. Узнать же тайны строения более глубоких слоев позволяет изучение явлений, сопровождающих землетрясения. Талантливый русский ученый Б. Б. Голицын говорил, что землетрясение подобно «фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит».

И действительно, изучение волн, возникающих во время землетрясения в земной коре, помогает узнать строение земли. Иногда ученые искусственно вызывают подобные волны, производя взрыв. И в этом случае характер распространения волн позволяет проникнуть в толщу земли, произвести разведку полезных ископаемых.

С. Я. Соколов предложил использовать методы ультразвуковой дефектоскопии для изучения на модели распространения волн в земной поверхности.

Ученый рассчитал, что если приготовить модель земного шара, то, направляя наклонно к ее поверхности ультразвуковую волну, можно вызвать возникновение волн, аналогичных тем, которые наблюдаются при землетрясениях. Чтобы характер распространения волн на модели соответствовал тому, что мы наблюдаем на земле, необходимо длину волны уменьшить во столько же раз, во сколько модель меньше земли. Практически для этой цели приходится пользоваться волнами с частотами от сотен тысяч до десятков миллионов герц.

Придав модели рельеф, соответствующий поверхности земли, можно изучить распространение волн в земной коре и проверить предположения о ее строении.

Наблюдение особенностей распространения в толще земли волн, возникающих при землетрясениях, привело ученых к мысли о том, что на глубине приблизительно 2900 километров расположено земное ядро, вещество которого по составу резко отличается от вещества внешних оболочек земли. Сквозь земное ядро могут проходить только продольные волны, поперечных волн земное ядро не пропускает. Однако объяснить, почему возникло такое резкое разделение в веществе земли, затруднительно, и поэтому наряду с гипотезой о существовании земного ядра было высказано предположение о том, что химически строение земного шара однородно, особенности же распространения волн в толще земли объясняются изменением свойств вещества земли под влиянием высоких давлений, существующих в ее толще. Для проверки возможности подобного объяснения из органического стекла была изготовлена модель земли и на этой модели изучено распространение ультразвуковых волн, воспроизводящих волны, возникающие при землетрясении. Опыты производились при различных температурах: как при более низких, чем температура размягчения органического стекла, так и при более высоких. В процессе этих опытов удалось воспроизвести особенности распространения волн в земной толще, не прибегая к скачкообразному изменению плотности и состава модели, а меняя лишь вязкость вещества, из которого она была изготовлена. Результаты этих опытов рассматриваются как подтверждение гипотезы об однородном строении земного шара.

Вероятно, в недалеком будущем ультразвуковое моделирование найдет себе иные, еще более интересные применения для изучения строения земли.

Ультразвук контролирует химические превращения

До сих пор мы рассказывали о таких применениях ультразвукового контроля, при которых свойства исследуемого вещества не изменялись. Но мы знаем, что скорость распространения звука зависит от свойств вещества, и поэтому если эти свойства будут изменяться, то одновременно будет изменяться и скорость звука. Это позволяет использовать ультразвуки для изучения различных физико-химических процессов.

Особенно большое практическое значение может иметь применение ультразвука для проверки степени затвердевания бетона. Строителям важно знать, когда этот процесс закончится. При исследовании твердеющего бетона пользуются как методом сквозного прозвучивания, так и импульсным эхо-методом. Применяемые аппараты напоминают обычные дефектоскопы. Ультразвуковые импульсы проникают в бетон на глубину до 30 метров, что позволяет исследовать очень большие сооружения.

По мере затвердевания бетона растет его прочность, а одновременно растет и скорость распространения в нем ультразвуковых колебаний. Измеряя скорость распространения ультразвука в бетоне и одновременно производя испытание бетона на прочность, ученые установили зависимость между этими величинами. Имея в руках график этой зависимости (рис. 56), строитель может непосредственно на строительной площадке проверить качество бетона. Для этого ультразвуковой излучатель прикладывают к бетонному сооружению и направляют в толщу бетона короткий сигнал. Одновременно с посылкой импульса на экране аппарата появляется отметка — зигзаг светового луча. Когда придет отраженный ультразвуковой сигнал, появится второй зигзаг, несколько отстоящий от первого. Расстояние между первым и вторым зигзагами соответствует времени между посылкой ультразвукового сигнала и приходом его эха. Зная размеры исследуемого объекта, легко вычислить скорость ультразвука и найти то наибольшее напряжение, которое может выдержать бетон при сжатии и которое характеризует его механические свойства.

Рис. 56. График для определения прочности бетона

Предположим, что скорость распространения ультразвука оказалась равной 4200 метрам в секунду. Восстановив перпендикуляр до пересечения с опытной кривой на рис. 56 и проведя из точки пересечения прямую, параллельную горизонтальной оси, найдем, что наибольшее напряжение, которое может выдержать бетон при сжатии, составит 360 килограммов на квадратный сантиметр. Для каждого сорта бетона зависимость между скоростью звука и прочностью материала должна устанавливаться опытным путем.

С помощью ультразвука были изучены массивные плотины, а также образцы бетона длиной от 20 сантиметров до 15 метров. В результате исследования удавалось обнаружить даже небольшие трещины и промерить глубину поверхностных трещин. Ультразвук помог определить упругие свойства недоступных для непосредственного осмотра частей сооружений, обнаружить участки, отличающиеся пониженной прочностью.

Иногда для контроля за протеканием химического превращения удобно следить за изменением вязкости. Как оказалось, и для этой цели можно воспользоваться ультразвуковыми колебаниями. Предназначенный для измерения вязкости прибор, названный ультравискосоном, состоит из небольшого зонда, соединительного кабеля и электронной вычислительной машины. Зонд представляет собою тонкую металлическую ленту из магнитострикционного сплава. Специальный генератор заставляет зонд совершать ультразвуковые колебания. Если погрузить колеблющийся зонд в жидкость, то в зависимости от ее вязкости затухание колебаний зонда увеличится, а скорость распространения волн вдоль зонда изменится. Амплитуда колебаний зонда составляет всего 2–3 стотысячные доли сантиметра, так что ультразвуковая волна не изменяет свойств исследуемой жидкости. Вычислительная машина, соединенная с зондом, на основании изменений в колебаниях зонда определяет соответствующее значение вязкости, которое и фиксируется положением стрелки прибора, укрепленного на передней панели ультравискосона.

Пользуясь ультравискосоном, можно измерять вязкость в очень широких пределах: начиная от вязкости легко текучих жидкостей и кончая жидкостями очень вязкими. Для измерения достаточно совсем небольшого количества жидкости — всего 2 кубических сантиметра. Исследование можно производить при разных температурах, начиная от -123 до +342 градусов. При желании зонд можно закрепить внутри котла, содержащего изучаемую жидкость. Нет сомнения в том, что подобные приборы найдут себе широкое применение в различных отраслях химической промышленности.

Как узнать упругие свойства вещества

Как известно, твердые, жидкие и газообразные тела в большей или меньшей степени оказывают сопротивление попыткам изменить их объем. Это свойство тел называют объемной упругостью. Твердые тела, кроме того, сопротивляются изменению формы. Они обладают упругостью формы. Для того чтобы количественно охарактеризовать упругие свойства твердых тел, вводят особые величины, называемые модулями упругости.

Особенно часто пользуются так называемым модулем Юнга. Модуль Юнга определяется той силой, которую надо приложить к концу стерженька с сечением, равным единице, для того чтобы растянуть его в два раза.

Зная величину модуля Юнга, можно, не производя опыта, указать, насколько изменится форма какой-либо детали под действием нагрузки, насколько деталь сопротивляется действию силы.

Но растянуть твердое тело вдвое нельзя, поэтому модуль Юнга приходится вычислять, наблюдая небольшие изменения длины, вызываемые приложенной силой.

Так, например, стальная проволока сечением в 1 квадратный миллиметр и длиною в 1 метр удлинится под действием нагрузки в 10 килограммов приблизительно на полмиллиметра, то есть на одну двухтысячную часть своей длины. Для того чтобы удлинить эту проволоку вдвое, надо было бы приложить силу в две тысячи раз большую — 20 тысяч килограммов. Следовательно, модуль Юнга для стали приблизительно равен 20 тысячам килограммов на квадратный миллиметр.

Непосредственным опытом определить модуль Юнга иногда бывает затруднительно, особенно, если испытуемое вещество представляет собой небольшие кристаллики. Поэтому при изучении упругих свойств различных веществ часто применяют косвенные определения, используя зависимость, существующую между упругостью вещества и скоростью звука в нем.

Зная скорость звука и плотность вещества, можно вычислить модуль Юнга.

Для определения скорости звука в твердых телах разработано несколько способов. Если в испытуемый образец, имеющий форму стерженька, послать короткий ультразвуковой импульс, то он, пробежав по стерженьку и отразившись от противоположной грани, возвратится к пославшему его излучателю. Так же как в дефектоскопе, посланный и отраженный сигналы делаются видимыми. При малом затухании ультразвука на экране осциллографа будет наблюдаться многократное ультразвуковое эхо. На рис. III, г изображено подобное многократное отражение ультразвуковых волн в пластинке кварца при частоте 100 миллионов колебаний в секунду. Определив расстояние между изгибами лучей, соответствующими посланному и отраженному сигналам, узнаем время, которое потребовалось ультразвуку для того, чтобы достигнуть противоположной грани и вернуться обратно.

Измерив длину испытуемого образца, легко вычислить скорость звука, а зная последнюю, можно найти модуль упругости данного вещества.

Для той же цели часто пользуются и другим способом.

Испытуемый образец — длинный стерженек — зажимают в особом штативе, как изображено на рис. 57. К нижней части стерженька подводят возбудитель звуковых колебаний переменной частоты.

Рис. 57. Прибор для определения модуля Юнга

Под влиянием возбудителя стерженек начинает колебаться. Расположив в верхней части специальный приемник и соединив его через усилитель с осциллографом, следят за возникшими колебаниями.

Плавно изменяя частоту колебаний возбудителя, мы заметим, что интенсивность колебаний стерженька будет изменяться. При совершенно определенной для данного образца частоте его колебания будут наиболее мощными. Эта частота, как мы знаем, будет резонансной частотой, или частотой собственных колебаний.

При резонансной частоте амплитуда колебаний на экране осциллографа делается максимальной.

Определив частоту собственных колебаний тела и зная его форму и размеры, можно вычислить скорость звука в нем и упругие характеристики материала.

Если из исследуемого вещества трудно или невозможно приготовить длинный стерженек, то можно сделать коротенький и приклеить его к длинному стержню из другого материала. Определив частоту собственных колебаний склеенного образца и зная упругие свойства материала, из которого сделан длинный стержень, можно найти скорость звука и в исследуемом коротком стерженьке. Таким способом можно узнать скорость звука в самых различных материалах и, следовательно, определить их упругие свойства.

В настоящее время акустические способы особенно широко применяются при изучении упругих свойств различных сортов каучука и пластических масс.

Объясняется это тем, что упругие свойства этих материалов зависят от того, с какой скоростью мы их сжимаем или растягиваем.

Когда автомобиль едет по гладкому шоссе, резина, из которой сделаны шины, сжимается быстрее или медленнее в зависимости от скорости движения. При этом упругие свойства шин могут изменяться. Это означает, что упругость шины зависит от скорости движения автомобиля. Материал, обладающий прекрасными свойствами при малых скоростях, может оказаться непригодным при больших скоростях. Огромное значение для практических целей имеет поэтому установление связи между упругими свойствами вещества и скоростью изменения формы, то есть скоростью, с которой происходит сжатие или растяжение образца. В исследованиях подобного рода на помощь снова привлекают ультразвук. Производя измерения скорости ультразвука при разных частотах, можно найти искомую зависимость.

Чудесный термометр

Немногие отдают себе отчет в том, насколько сложна работа современного завода, современной машины или аппарата. На рис. 58 центральный пульт управления первой в мире атомной электростанции. Десятки приборов зорко следят за работой всех аппаратов и механизмов, начиная от самого простого и кончая самым сложным.

Рис. 58. Пульт управления атомной электростанции

Особенно часто в технике приходится следить за температурой. Поднимется иной раз температура выше, чем следует, и погибнет сложный и дорогой продукт, погибнет труд десятков, а то и сотен людей. Много разнообразных приборов создали ученые для измерения температуры. Среди них и различные термометры, похожие на те «градусники», с помощью которых мы измеряем температуру нашего тела, и весьма сложные оптико-электрические термометры, предназначенные специально для измерения очень высоких температур. И все же, несмотря на обилие приборов, бывают случаи, когда инженер или исследователь становится в тупик, не зная, как измерить температуру, хотя сделать это для него очень важно. С таким положением приходится сталкиваться при изучении работы двигателей внутреннего сгорания, тех двигателей, которые мчат самолеты и автомобили, заставляют теплоходы пересекать моря и океаны, движут по стальным рельсам тяжелые составы.

На первый взгляд, задача как будто бы не сложна: ведь изменения температуры в двигателе не очень велики. При поступлении горючей смеси в цилиндр двигателя она имеет примерно комнатную температуру, а после сгорания ее температура поднимается до двух с небольшим тысяч градусов. Однако всем обычным приборам для измерения температуры свойствен общий недостаток, делающий их непригодными для того, чтобы следить за изменением температуры в двигателе.

Измеряя температуру тела, вы держите термометр под мышкой 5 или 10 минут. Почему необходимо держать термометр так долго и что произойдет, если его вынуть через полминуты или даже через минуту? Легко убедиться, что обычный термометр в этом случае вообще ничего не покажет: ртуть не успеет подняться до нижней отметки термометра. Пять или десять минут, которые мы держим термометр, необходимы для того, чтобы его температура сравнялась с температурой нашего тела.

Можно построить приборы, в которых температура будет выравниваться гораздо быстрее, но все же они будут непригодны для измерения температур в цилиндрах двигателя. Дело в том, что в двигателе изменение температуры происходит в ничтожные доли секунды, так что скорость ее изменения достигает десятков тысяч градусов в секунду, и не существует такого термометра, который успел бы зафиксировать эти изменения.

Совершенно естественно, у физиков возникла мысль воспользоваться для определения температуры в двигателе изменением каких-либо свойств тех самых газов, которые наполняют его цилиндр.

Как мы знаем, скорость звука в газе зависит от температуры. Определить скорость звука можно очень быстро. Если измерить время, необходимое для того, чтобы звуковой сигнал прошел в газе небольшое расстояние, скажем, сантиметр или два сантиметра, то поскольку скорость звука велика, это определение займет всего несколько стотысячных долей секунды. Зная же время, которое требуется звуку для того, чтобы пройти в газе данное расстояние, и состав газа, можно точно определить его температуру, воспользовавшись для этого зависимостью между температурой газа и скоростью звука в нем. Осуществить эту простую идею удалось, однако, только недавно.

Для измерения скорости звука в специальную камеру, примыкающую к цилиндру двигателя и содержащую те же газы, что и цилиндр, вводят два медных стержня, расположенных один против другого. Между концами стержней оставляют небольшой зазор. По одному из стержней в камеру направляют короткие ультразвуковые сигналы. Пройдя наполненный газом зазор, ультразвуковые сигналы попадают во второй стержень и через него в специальный приемник. Сложное электрическое устройство точно определяет промежуток времени, необходимый для того, чтобы сигнал прошел через газ. Чем больше температура газа, тем скорее движутся ультразвуковые сигналы и тем короче этот промежуток. Производя подобные измерения, можно вычислить температуру газа. Момент посылки сигналов регулируется специальным механизмом, соединенным с валом двигателя, так что они направляются на разведку при каком-либо определенном положении вала. Меняя положение вала, при котором посылается сигнал, можно проследить, как возрастает или уменьшается температура в процессе работы двигателя. Многократное измерение температур в работающем двигателе убедило инженеров в том, что с помощью ультразвуков можно получить надежные сведения о работе двигателя.

Рассмотренный только что пример подводит нас к другому очень интересному применению ультразвуков.

Автоматический анализатор

Скорость звука в каком-либо газе, помимо температуры, зависит от его состава. Если же температуру искусственно поддерживать постоянной, то скорость звука будет зависеть только от состава газа. Мысль использовать звуки для устройства аппарата, автоматически контролирующего состав газовой смеси, зародилась давно, и уже десятки лет тому назад такие аппараты, правда примитивные и не очень точные, применялись в некоторых отраслях химической промышленности. Совершенные же приборы, использующие звуковые измерения для контроля за составом газа, так называемые акустические газоанализаторы, удалось построить только в последние годы.

Главной частью звуковых и ультразвуковых газоанализаторов является акустическая камера, располагаемая обычно в отводе от основного потока газа, состав которого контролируется. В одном из существующих газоанализаторов в противоположных концах камеры располагаются излучатель и приемник ультразвуковых сигналов. Специальный прибор точно определяет время, которое требуется сигналу для того, чтобы дойти от излучателя до приемника. В зависимости от этого времени по шкале прибора перемещается светящийся зайчик. Если изменяется состав газовой смеси, то изменяется время прохождения сигнала и зайчик перемещается в новое положение.

Собственно говоря, такой прибор позволяет следить за составом газовой смеси, состоящей только из двух газов, или, точнее, за составом газовой смеси, в которой изменяется содержание только одной из составных частей, например за присутствием в воздухе болотного газа, или, как его называют химики, метана. Поэтому шкалу прибора можно прокалибровать непосредственно в процентах того газа, содержание которого определяется.

Для успешной работы аппарата необходимо, однако, чтобы молекулы обнаруживаемой примеси отличались по весу от среднего веса молекул основной части газовой смеси. К сожалению, мы не всегда встречаемся с таким положением. Напротив, существуют очень различные по своим свойствам газы, молекулы которых имеют практически один и тот же вес и в которых скорость звука поэтому будет одна и та же. Примером могут служить азот и угарный газ, или окись углерода. По своим химическим свойствам это совершенно различные вещества, однако обнаружить присутствие одного из них в другом с помощью ультразвукового газоанализатора невозможно — скорость звука в обоих одна и та же.

Некоторые газоанализаторы устроены иначе. В этих приборах наполненную исследуемым газом акустическую камеру заставляют совершать колебания. Частота колебаний, так же как скорость звука, зависит от состава газа, наполняющего камеру. Мы располагаем возможностью чрезвычайно точно измерять частоту колебаний, и потому подобный прибор оказывается очень чувствительным к изменениям в составе газа.

Звуковой газоанализатор можно расположить в одном помещении, а вести наблюдения за составом газа — в другом, отстоящем от первого на значительное расстояние. Иногда это является большим преимуществом акустического газоанализатора по сравнению с другими приборами. Кроме того, ультразвуковые сигналы практически мгновенно реагируют на изменение в составе газовой смеси. При желании акустический анализатор можно снабдить автоматическим приспособлением, включающим в случае нежелательного изменения состава газовой смеси звуковую или световую сигнализацию.

Аналогичные анализаторы можно использовать для контроля состава самых различных жидких тел. Советские физики построили приборы, позволяющие обнаружить ничтожные изменения скорости звука в жидкостях, исчисляемые тысячными долями процента. Такой прибор позволяет непрерывно контролировать качество воды, идущей для питания паровых котлов, турбин и т. п. Одним из условий нормальной работы ультразвукового анализатора является постоянство температуры исследуемого вещества. Если это требование выполняется, то акустические анализаторы — надежный помощник человека. Они позволяют точно следить за крепостью спирта, контролировать состав литейной массы, так называемого шликера, определять небольшие изменения удельного веса жидкости и т. п.

Ультразвуковой измеритель скорости потока

Человеку часто приходится сталкиваться с необходимостью измерить скорость текущей жидкости. Иногда при этом поток бывает недостижим для непосредственного наблюдения. Бывает и так, что необходимо измерить скорость потока, не нарушая характера течения, не вводя в текущую жидкость измерительных приборов. В настоящее время проектируются атомные котлы или реакторы, в которых для отвода тепла от реакционной зоны используется расплавленный металл — натрий. В одном из подобных проектов скорость движения металла составляет примерно 10 метров в секунду, то есть близка к скорости движения автомобиля. При этом скорость течения металла не должна уменьшаться, иначе может произойти авария. Вот один из примеров потока жидкости, труднодоступного для наблюдения.

Другой пример — движение нефти в глубине нефтяной скважины, далеко отстоящей от поверхности земли. Наконец можно указать на измерение скорости течения крови в кровеносной системе человека или животного и, в частности, в аорте. В этом случае поток жидкости и труднодоступен для наблюдения и нарушать его, вводя какие-либо приборы, нежелательно. В наше время подобные измерения удается производить при помощи ультразвуков. Для этого используется разница скорости распространения звука в текущей жидкости в тех случаях, когда звук распространяется по течению и против течения жидкости. Скорость звука в направлении течения жидкости будет несколько больше, чем скорость звука в противоположном направлении. Здесь мы встречаемся с тем же явлением, какое наблюдается при движении лодки с постоянной скоростью по течению реки и против течения. Измеряя с берега скорость лодки, мы обнаружим, что в первом случае она больше, чем во втором. Происходит это потому, что при движении лодки по течению реки к ее скорости добавляется скорость течения реки, а при движении против течения скорость его вычитается. Если бы истинная скорость движения лодки была известна, то, наблюдая указанную разницу в скоростях, можно было бы определить скорость течения реки.

Для большинства жидкостей скорость звука точно измерена, и именно поэтому звуком можно воспользоваться для определения скоростей потока.

Если жидкость течет по трубе, то, укрепив на внешних стенках трубы две пьезоэлектрические пластинки и делая каждую из них попеременно то излучателем, то приемником ультразвука, можно измерить разницу в скоростях звука в направлении потока и в противоположном направлении, после чего вычисление скорости потока уже не представляет затруднений.

Иногда возможно помещение измерительных приборов непосредственно в поток жидкости, как, например, при изучении морских течений. Сконструированный для этой цели прибор (рис. 59) состоит из торпедообразной камеры, внутри которой помещаются измерительные аппараты. К камере прикреплены излучатель и приемник ультразвуковых сигналов. Стальной трос соединяет камеру с тяжелым барабаном, играющим одновременно роль якоря. Внутри барабана помещаются электрические аккумуляторы, обеспечивающие бесперебойную работу прибора в течение недели. Плавающий по поверхности воды буек указывает местонахождение измерителя. Внутри камеры помещены измеритель скорости звука с автоматической записью показаний, часы с недельным заводом, компас и фотографический аппарат. Специальное реле включает через определенные промежутки времени фотоаппарат, который фиксирует показания компаса и часов, а также прибора, определяющего скорость звука.

Рис. 59. Измеритель скорости морских течений

После проявления пленки можно составить представление о скоростях и направлении морского течения за неделю. Описанными примерами, конечно, не исчерпываются возможные применения ультразвуковых измерителей скоростей потоков. Эти приборы, несомненно, найдут себе широкое применение в самых различных областях человеческой деятельности.

Измеритель толщины

Ультразвуки широко применяются при определении размеров тел. На рис. 60 изображен сконструированный В. С. Соколовым прибор, позволяющий весьма точно измерять толщину предметов, сделанных из металла, пластмассы, дерева и т. п.

Рис. 60. Ультразвуковой измеритель толщины

К металлической стенке, толщину которой желательно измерить, прижимается специальный излучатель. Частота излучаемой волны плавно изменяется. Если частота колебаний излучателя равна собственной частоте колебаний стенки или кратна ей, то колебания, совершаемые стенкой, будут особенно интенсивны.

Колебания, совершаемые кварцевой пластинкой, превращаются особым приспособлением в звуковые волны. Это дает возможность определить интенсивность колебаний стенки и на слух. Для каждого материала прибор имеет свою шкалу, градуированную непосредственно в сантиметрах. При параллельных и гладких стенках ошибка в измерении толщины составляет доли процента. Если поверхность неровная, ошибка увеличивается до 2–5 процентов.

Этим прибором можно производить измерения и в том случае, если противоположная излучателю поверхность стенки граничит с жидкостью. Так удается проверять толщину стенок водопроводных труб, не нарушая работы водопровода. Вполне возможно также создание аппарата, который позволит определять толщину накипи на стенке парового котла, не прерывая его работы.

Прибор открывает возможности для измерения так называемой разностенности труб (различия в толщине стенки трубы, измеренной по ее сечению). На рис. 61 изображено сечение стенок трубы, определенное при помощи ультразвукового измерителя толщины.

Рис. 61. Разностенность труб

Ультразвуки позволяют определять неоднородности в стекле, измерять упругие свойства различных сортов стекла. Изучая изменение скорости распространения ультразвуков в твердых телах, можно исследовать превращения, которые в них происходят при изменении температуры или намагниченности тела (в ферромагнитных телах), переходы от одной структуры твердого тела к другой и т. п.

Незадолго до своей смерти профессор С. Я. Соколов сделал новое замечательное изобретение. Сконструированный им прибор дает возможность рассматривать в увеличенном виде предметы, заключенные в непрозрачную для света оболочку; даже тончайший слой воздуха, образовавшийся под слоем серебра в посеребренной пластинке, может быть безошибочно обнаружен этим прибором.

Глава 7.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОП

Ультразвуковая оптика

Для того чтобы понять действие ультразвукового микроскопа, вспомним те свойства световых лучей, которые используются в обычном оптическом микроскопе.

Если на пути солнечных лучей поставить двояковыпуклое стекло, произойдет преломление лучей и они соберутся в одной точке, в фокусе. Линзы дают возможность управлять движением лучей света и получать изображения предметов, увеличенные во много раз. В различных веществах световые лучи распространяются с различной скоростью. Именно эта разница в скоростях распространения и является причиной преломления лучей.

Распространение ультразвуковых волн подчиняется тем же самым законам, что и распространение световых волн. Ультразвуковая волна может отражаться и преломляться так же, как отражаются и преломляются световые волны. С помощью специальных ультразвуковых линз и собирающих зеркал физики научились управлять движением ультразвуковых волн.

Скорость ультразвука в жидкости, называемой четыреххлористым углеродом, значительно меньше, чем в воде, Приготовив из тонкой алюминиевой фольги кожух в форме двояковыпуклой чечевицы и наполнив его четыреххлористым углеродом, мы получим ультразвуковую линзу. Такая линза будет собирать идущие в воде ультразвуковые лучи в одну точку. Однако в воздухе эта линза будет рассеивать ультразвук, делать волну расходящейся, так как скорость звука в четыреххлористом углероде значительно больше, чем в воздухе.

Обычно ультразвуковые линзы делают из твердых веществ. При этом необходимо помнить, что скорость звука в твердых телах значительно больше, чем в жидкостях или газах. Этим объясняется то, что собирающие ультразвуковые линзы в этом случае имеют форму вогнутых, а не выпуклых чечевиц. Рассеивающие же линзы должны быть выпуклыми. На рис. 62 изображена ультразвуковая линза из пластической массы, известной под названием плексигласа. Для лучшей передачи колебаний кварцевая пластинка 1 плотно прижимается к плоской поверхности собирающей линзы 3. Передняя полость 2 наполняется водой и заклеивается тонкой металлической фольгой. Такое устройство предохраняет плексиглас от действия тех жидкостей, в которые погружена линза.

Рис. 62. Собирающая ультразвуковая линза

Собираемые линзой ультразвуковые колебания можно значительно усилить, если расположить излучающую кварцевую пластинку на наполненном воздухом барабанчике, а барабанчик затянуть тонкой металлической фольгой. Тогда ультразвуковые колебания будут отражаться от поверхности, граничащей с воздухом, и направляться почти целиком в сторону линзы.

Для изучения преломления ультразвуковых лучей удобно воспользоваться вызываемой ими оптической неоднородностью жидкости, в которой они распространяются. Применяя вместо прерывистого освещения источник света постоянной яркости, мы получим изображение ультразвуковой волны в виде светлого луча. Именно так сфотографирован ультразвуковой луч, создаваемый в жидкости колеблющейся кварцевой пластинкой (рис. 63).

Рис. 63. Параллельный пучок ультразвуковых лучей

Расположив на пути этого луча выпуклую линзу из плексигласа, можно сделать его расходящимся (рис. 64). Наоборот, вогнутая линза соберет его в одну точку (рис. 65).

Рис. 64. Ультразвуковой луч, рассеянный линзой

Рис. 65. Фокусированный луч

Собирая в одну точку распространяющиеся в масле сравнительно слабые ультразвуковые колебания, линза настолько увеличивает их интенсивность, что на поверхности масла возникает высокий фонтан, вытянутый вверх в виде узкой струйки.

По мере уменьшения длины волны ультразвука сходство в поведении ультразвуковых и световых лучей возрастает. Современная ультраакустическая техника дает возможность получать ультразвуковые волны, близкие по длине к волнам видимого света.

С помощью таких ультразвуков удалось осуществить акустическое «изображение» различных предметов. Полученное изображение можно при желании увеличить. Эти-то свойства ультразвука и были использованы при устройстве ультразвукового микроскопа.

Как устроен ультразвуковой микроскоп

На рис. 66 рассматриваемый предмет — изогнутая проволочка 2 — помещен в ванну, наполненную жидкостью. На него падает пучок коротких ультразвуковых волн, посылаемых кварцевой пластинкой 1. Отраженные ультразвуковые колебания фокусируются акустической линзой 3, и на приемной кварцевой пластинке 4 получается изображение предмета. При акустическом изображении светлым участкам оптического изображения будут соответствовать участки, на которые падают наиболее интенсивные ультразвуковые колебания, оказывающие на пластинку большее давление, сильнее воздействующие на нее.

Рис. 66. Схема действия ультразвукового микроскопа

Теперь задача заключается в том, чтобы превратить скрытое акустическое изображение в видимое. Это удается осуществить, воспользовавшись зависимостью электрических свойств кварцевой пластинки от давления. В результате давления на приемной пластинке возникают электрические заряды. Чем больше интенсивность падающих на пластинку ультразвуковых колебаний, тем больше воздействие их на нее, а следовательно, тем сильнее возникающий электрический заряд. Распределение электрических зарядов на пластинке будет соответствовать тому самому изображению рассматриваемого предмета, которое и надо сделать видимым.

Приемная пластинка 4 служит дном катодной трубки 5. Узкий пучок катодных лучей падает на внутреннюю поверхность приемной пластинки и выбивает из нее так называемые вторичные электроны. Выбитые электроны собираются на специальном электроде 6. Число выбитых электронов из какой-либо точки приемной пластинки зависит от ее заряда в этой точке. Если катодный луч будет двигаться по поверхности пластинки, он будет попадать на участки, различающиеся зарядом, и, следовательно, выбивать разное количество вторичных электронов. Выбитые электроны, двигаясь внутри трубки, создают электрический ток переменной силы. Сила тока изменяется в зависимости от положения катодного луча на приемной пластинке и распределения зарядов на ней, то есть от того, какое получено на ней ультразвуковое изображение.

Катодный луч заставляют прочертить полосу за полосой всю поверхность пластинки.

Начав движение в точке А (рис. 67), катодный луч бежит вдоль строки и, добежав до ее конца, очень быстро перескакивает в начальную точку следующей строки, расположенной чуть ниже, чем первая, и движется с прежней скоростью до края пластинки. Путешествуя так, луч прочерчивает за 1 секунду 20–30 строк. Когда луч прочертит весь квадрат, изображенный на рисунке, он перескакивает вновь в точку А, и движение его повторяется.

При этом движении сила тока, текущего через трубку 6 (рис. 66), изменяется в зависимости от полученного на приемной пластинке изображения. Специальный прибор 7 усиливает эти изменения, и они подаются на сетку 8 электронной трубки 9. Изменение силы тока вызывает соответствующие изменения интенсивности луча в электронной трубке осциллографа. Если синхронизировать, как это делается в телевидении, движение лучей в приемной трубке и в трубке осциллографа, то на экране мы получим видимое изображение предмета, рассматриваемого в ультразвуковой микроскоп. Увеличение ультразвукового микроскопа зависит от особенностей приемной трубки 5 и трубки катодного осциллографа 9.

Рис. 67. Движение электронного луча в ультразвуковом микроскопе

Согласно расчетам, в ультразвуковом микроскопе возможны увеличения в несколько десятков тысяч раз.

Для «освещения» рассматриваемого в ультразвуковой микроскоп предмета пригодны как непрерывные ультразвуковые волны, так и отдельные ультразвуковые импульсы.

Ультразвуковому микроскопу можно придать иные конструкции, сохранив принцип его действия. В одной из них ультразвуковое изображение получают на внешней поверхности пьезоэлектрической пластинки 1 (рис. 68), внутренняя поверхность которой освещается равномерно ультрафиолетовыми лучами 3. Под действием ультрафиолетовых лучей с внутренней поверхности пластинки, являющейся дном вакуумной трубки 2, вылетают электроны, которые ускоряются электрическим полем и, пройдя через специальные магнитные и электрические линзы, падают на флуоресцирующий экран 5. На экране будет видно изображение источника электронов — пьезоэлектрической пластинки 1. Выбивание электронов ультрафиолетовыми лучами зависит от величины зарядов, возникших на пластинке под действием падающих на нее ультразвуковых колебаний. Распределение интенсивности последних в свою очередь определяется тем акустическим изображением, которое получается на приемной пластинке. Поэтому на экране 5 мы увидим увеличенным рассматриваемый предмет.

Рис. 68. Схема ультразвукового микроскопа с магнитной линзой

Не переставая совершенствовать свое изобретение, С. Я. Соколов значительно упростил конструкцию ультразвукового микроскопа.

Новая конструкция

Как и раньше, рассматриваемый предмет 2 помещается в жидкость 4 и «освещается» однородным ультразвуковым пучком, посылаемым кварцевой пластинкой 1 (рис. 69). Отразившись от предмета, ультразвуковые лучи попадают на зеркало 3, которое отбрасывает изображение рассматриваемого предмета на поверхность жидкости. Когда ультразвуковые лучи достигают поверхности жидкости, они вызывают появление на ней характерной ряби. Если пользоваться ультразвуковым лучом с малой длиной волны, рябь получается очень равномерной. Осветив поверхность жидкости косо падающим пучком света, можно отбросить на экран 6 изображение поверхности, на котором четко будут видны все неровности, создаваемые ультразвуковым изображением. В ультразвуковом микроскопе новой конструкции, как это показано на рис. 70, можно получать изображение рассматриваемого предмета также и с помощью линзы. И в этом случае на фоне ряби, создаваемой ультразвуком, четко вырисовывается изображение рассматриваемого предмета.

Рис. 69. Схема ультразвукового микроскопа новой конструкции

Рис. 70. Схема ультразвукового микроскопа новой конструкции с линзой

Качество оптических приборов зависит от их разрешающей способности, определяемой наименьшим расстоянием между двумя точками, которое можно различить с помощью данного прибора. Если точки находятся на расстоянии, меньшем, чем разрешающая способность прибора, они будут казаться нам слившимися в одну.

Чем короче длина волны, тем больше возможная разрешающая способность. Ультразвук с частотою в миллиард колебаний имеет длину волны, близкую к длинам волн видимого света. Однако разрешающая способность ультразвукового микроскопа в сильной степени зависит и от свойства кварцевой пластинки, создающей ультразвуковой луч. Что же касается длин волн, то полученные в настоящее время короткие ультразвуковые волны не предел, и можно надеяться достигнуть в ультразвуковом микроскопе большей разрешающей способности, чем в микроскопе оптическом. На рис. 71 изображен ультразвуковой микроскоп.

Рис. 71. Внешний вид ультразвукового микроскопа

Практическое применение ультразвукового микроскопа

Область возможных применений ультразвукового микроскопа очень широка, так как он позволяет рассматривать то, что нельзя увидеть ни простым глазом, ни в оптический микроскоп. На рис. 72 изображена полученная с помощью ультразвукового микроскопа (при десятикратном увеличении) фотография проволочки, погруженной в непрозрачную жидкость.

Рис. 72. Проволочки в непрозрачной жидкости

При рассматривании изображений в ультразвуковом микроскопе следует помнить, что светлые и темные участки их не совпадают со светлыми и темными участками изображений в оптическом микроскопе. Небольшие пустоты в твердом теле, которые мы ожидаем видеть как более светлые участки, в действительности оказываются более темными в силу отражения или поглощения ультразвука. На рис. 73 воспроизведено ультразвуковое изображение стеклянной палочки (слева) и стеклянной трубочки (справа). Стекло пропускает ультразвуковые колебания, и поэтому на изображении палочки имеются светлые участки. Через трубочку, наполненную воздухом, ультразвук не проходит, и поэтому она дает ровную тень.

Рис. 73. Изображения стеклянной палочки и трубочки, полученные при помощи ультразвукового микроскопа

Ультразвуковой микроскоп позволяет обнаружить дефекты металлических покрытий, нанесенных на кварцевую пластинку. На рис. 74 ясно видны светлые пятна, напоминающие звездочки, — это области, где серебряное покрытие неплотно пристало к пластинке и потому отслоилось. Другим способом обнаружить такие изъяны очень трудно.

Рис. 74. Области отслоения серебряного покрытия, обнаруженные ультразвуковым микроскопом

Ультразвук весьма чувствителен к изменению плотности вещества. Поэтому струйки нагретой жидкости (рис. IV, в) будут точно регистрироваться ультразвуковым микроскопом. Инженеры и ученые могут следить за тепловыми потоками, возникающими в жидкостях. Если жидкость прозрачна, пользуются оптическим методом. Для непрозрачных же веществ ультразвуковой микроскоп незаменим. Именно он дает возможность узнать, как надо конструировать различные нагреватели, какую придавать им форму, чтобы тепловые потоки жидкости возможно быстрее переносили тепло и вся жидкость нагревалась равномерно.

Рис. IV.

a — дефекты в металлическом изделии, обнаруженные ультразвуковым микроскопом, б — капельки воды в керосине, рассматриваемые в ультразвуковой микроскоп; в — тепловые потоки, наблюдаемые при помощи ультразвукового микроскопа

Прозрачность воды примерно такая же, как и прозрачность керосина, поэтому оптическими методами трудно получить изображение капелек воды в керосине. Взгляните на рис. IV, б. Ультразвуковой микроскоп обнаружил капельки воды в керосине, и каждая капелька как бы обведена четкой белой рамкой.

Особенно велико значение ультразвукового микроскопа при отыскании дефектов в металле. Даже скрытый глубоко под поверхностью металла изъян не ускользнет от его зоркого глаза. На рис. IV, а показаны ультразвуковые изображения дефектов, обнаруженных на глубине 600 и 110 миллиметров.

Если ультразвуковое изображение наблюдают на поверхности жидкости, оно оказывается выпуклым, как бы объемным. Именно так было получено изображение слова «Москва» (рис. 75), буквы которого были сделаны из тонкой проволоки.

Рис. 75. Надпись «Москва», полученная с помощью ультразвукового микроскопа

Замечательные свойства ультразвукового микроскопа, о которых мы рассказали, и в первую очередь возможность с его помощью рассматривать в увеличенном виде предметы, скрытые от человеческого взора толстым слоем непрозрачного вещества, обеспечивают широкое применение этого прибора в самых разнообразных областях науки и техники.

То, что рассказано в этой книге, не исчерпывает всех применений ультразвука. Мало рассказали мы об использовании ультразвуков в научных исследованиях. Так, например, изучая распространение ультразвука в газах, можно исследовать процессы, происходящие при соударении газовых молекул. Физики знают, что при этом молекулы переходят в особое «возбужденное» состояние. Исследовать подробности процесса, выяснить время жизни возбужденной молекулы, влияние различных добавок к газу и целый ряд других интересных вопросов позволяют ультразвуки.

Ультразвуки помогают следить за ходом химических реакций, узнавать состав различных смесей.

Изучение неслышимых звуков развивается настолько быстро, что почти каждый номер различных физических журналов приносит известия о новых достижениях в деле изучения свойств ультразвуков и их использования на помощь человеку.

Ультразвуки все шире применяются в различных областях человеческой деятельности. Уже сейчас их с успехом используют в своей работе не только физики, но и химики, биологи, инженеры, врачи…

В многочисленных лабораториях институтов ученые открывают все новые и новые способы использования ультразвуков для блага человечества.

Приложение.

УСТРОЙСТВО ПРОСТЕЙШИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

После выхода из печати первого издания этой небольшой книги было получено много писем, в которых читатели спрашивали, как можно устроить ультразвуковой генератор. Учитывая большой интерес к ультраакустике, автор дополнил новое издание описанием конструкции простейшего пьезоэлектрического генератора. Приводимые ниже схемы отнюдь не претендуют на техническое совершенство, что может быть оправдано их простотой и тем, что в опытных исследованиях стоимость ультраакустической энергии и, следовательно, коэффициент полезного действия генератора не играет решающей роли.

Необходимо, однако, предупредить читателей о том, что работа пьезоэлектрических генераторов связана с получением относительно высоких электрических напряжений, иногда представляющих опасность для человеческой жизни. Поэтому при устройстве, если так можно выразиться, «любительских» ультразвуковых генераторов рекомендуется ограничиться применением обычных приемно-усилительных ламп, требующих напряжения 250 вольт. В этом случае устройство ультразвукового генератора будет представлять опасность, не большую, чем устройство лампового радиоприемника. Устройство мощных пьезоэлектрических излучателей, требующих напряжений порядка нескольких тысяч вольт, возможно только при наличии соответствующих знаний и при соблюдении необходимых мер предосторожности.

Схема очень простого генератора, вполне надежного в работе, изображена на рис. 76.

Рис. 76. Схема простейшего ультразвукового генератора

На этой схеме Л — простейшая радиолампа — триод (например, лампа 6С5), называемая так потому, что у нее три электрода: отрицательный электрод, или катод; положительный электрод, или анод, и третий электрод — расположенная между ними сетка. Существуют и более сложные лампы, содержащие две сетки — тетроды или три сетки — пентоды. Из этих ламп для устройства ультразвуковых генераторов часто пользуются тетродом 6ПЗ. В этом случае имеющуюся в лампе вторую сетку, называемую экранной, присоединяют к аноду через сопротивление, которое для лампы 6ПЗ можно взять приблизительно равным 40 000–50 000 ом.

Первую, или, как ее называют, управляющую, сетку лампы надо соединить с катодом опять же через сопротивление R. Если при постройке генератора используется лампа 6С5, R берут около 50 000–60 000 ом. Сила анодного тока при этом будет примерно 8 миллиампер. Желая получить более мощные колебания, применяют лампу 6ПЗ. В этом случае сопротивление R можно уменьшить до 20 000–30 000 ом, но так как сила тока будет значительна, надо применять проволочное сопротивление.

Как явствует из схемы, управляющая сетка, помимо катода, соединяется через конденсатор постоянной емкостью приблизительно 1000 пикофарад[3] с концом C катушки самоиндукции, которую надо приготовить самому, сообразуясь с желаемой частотой ультразвуковой волны, создаваемой генератором.

Обычно катушка самоиндукции наматывается из изолированной проволоки на фарфоровом или пластмассовом каркасе. Чаще всего каркас бывает цилиндрической формы. Можно изготовить каркас и из картона. Катушки из очень толстой проволоки наматываются без каркаса.

Данные, необходимые для приготовления катушки генератора на разные интервалы частот, указаны в таблице.

Диапазон, Мггц

Число витков

Диаметр катушки, мм

Шаг намотки, мм

Способ изготовления

вся катушка

между точкамиВ и С

26–14

2,0

1/3

100

8,0

3-миллиметровая медная проволока без каркаса

19–10

4,0

1,5

80

4,0

-''-

10–5

9,0

3,0

80

4,0

-''-

5–3

14,0

5,0

100

2,0

Однослойная из изолированной проволоки на катушке из пертинакса

3–2

24,0

9,0

100

2,0

Так же, как предыдущая

2–1,5

41,0

14,0

100

1,7

Так же, как предыдущая

Можно посоветовать при изготовлении катушки сначала рассчитать длину необходимого для нее провода, определить место, от которого должен отходить отвод В, и припаять в этом месте проволочку, а затем уже наматывать проволоку на каркас. Параллельно катушке присоединяется конденсатор переменной емкости С_1 При этом можно воспользоваться обычным радиолюбительским конденсатором максимальной емкостью приблизительно 500 пикофарад.

Конденсатор переменной емкости С_1 и катушка самоиндукции образуют так называемый колебательный контур. Вращая ручку конденсатора и изменяя его емкость, можно плавно изменять частоту колебаний генератора.

В описанной схеме подвижные пластины конденсатора находятся под напряжением и потому ручка, с помощью которой поворачиваются пластины, должна быть изолирована от оси конденсатора.

Кварцевый излучатель присоединяется к концам катушки АС. Для этого кварцевая пластинка с посеребренными противоположными гранями располагается на специальном кварцедержателе.

Простейший кварцедержатель изготовить несложно: для этого к дощечке из изолирующего материала — эбонита, текстолита, плексигласа и т. п. — прикрепляется полированная, медная или латунная пластинка, служащая основанием, на котором располагают колеблющийся кварцевый кристалл.

Контакт с верхней, излучающей, поверхностью кварца делают пружинящим. Материалом для его изготовления может служить тонкая и упругая металлическая фольга.

Для предупреждения проскока искры по краю пластинки кварцедержатель вместе с кварцем помещают в сосуд с изолирующей жидкостью, например трансформаторным маслом.

При колебаниях кварцевой пластинки на поверхности масла возникает легкая рябь. Ее легко заметить, если рассматривать отражение какого-либо предмета на поверхности масла в том месте, под которым расположен кварц.

Интенсивность колебаний излучателя будет максимальной в том случае, если частота колебаний генератора совпадает с частотой собственных колебаний кварцевой пластинки. Как уже говорилось, частота собственных колебаний кварцевых пластинок f зависит от их толщины и может быть определена по формуле f= 2,87/d миллионов герц, в которой d — толщина пластинки в миллиметрах.

Практически генератор конструируют с таким расчетом, чтобы он позволял получать частоты как меньшие, так и большие частоты собственных колебаний имеющейся кварцевой пластинки.

В этом случае, присоединив излучатель к генератору и включив последний, медленно вращают ручку конденсатора, наблюдая одновременно за поверхностью масла над кварцем. При совпадении частоты колебаний генератора с частотой собственных колебаний пластины последняя начнет колебаться, что можно будет заметить по возникновению ряби на поверхности.

Для того чтобы убедиться в исправной работе генератора, устраивают маленький пробный контур, наподобие изображенного на рис. 77, состоящий из нескольких витков изолированной проволоки, концы которой припаяны к цоколю низковольтной электрической лампочки. Если генератор нормально работает, то при поднесении пробного контура к катушке самоиндукции генератора лампочка в контуре зажигается. Если этого не наблюдается, надо проверить монтаж генератора и устранить неполадки, препятствующие нормальной работе.

Рис. 77. Пробный контур для проверки исправности генератора

Для питания генераторов малой мощности можно пользоваться сухими батареями типа БАС-80, которые, однако, не пригодны для питания мощных генераторов. В этом случае источником постоянного тока служит выпрямитель, устройство которого описано в многочисленных руководствах для радиолюбителей.

Следует еще раз напомнить, что действия ультразвука сильно зависят от его мощности и, в частности, большинство химических превращений наблюдается только при действии весьма мощных ультразвуков. Кроме того, в отношении химических превращений наиболее эффективны звуки с частотами в несколько сотен тысяч герц и малоэффективны высокочастотные ультразвуки с частотами в миллионы герц.

При наличии необходимых радиотехнических знаний можно рекомендовать для получения более мощных колебаний собрать генератор, пользуясь схемой, изображенной на рис. 78.

Рис. 78. Схема ультразвукового генератора средней мощности

Эта схема рассчитана применительно к радиолампе, характеризуемой следующими данными: напряжение накала 12,6 вольта, ток накала 0,65 ампера, напряжение на аноде 1000 вольт; напряжение на экранной сетке 300 вольт, крутизна 4 миллиампера на вольт. Расстояние между пластинами конденсатора переменной емкости 6–8 миллиметров. Для получения ультразвуковых колебаний частотой 1,5 миллиона герц катушка самоиндукции имеет диаметр 100 миллиметров, а длину 156 миллиметров и содержит 52 витка, намотанные с шагом 3 миллиметра. Диаметр проволоки 1,4 миллиметра. Витки катушки распределяются следующим образом: между сеткой и землей 7 оборотов, между землей и анодом лампы 13 оборотов, между анодом лампы и концом катушки 32 оборота. Более подробные сведения об устройстве генераторов и выпрямителей можно найти в следующих книгах: «Методы экспериментальной электроники», Изд-во иностранной литературы, Москва, 1949; А. М. Бонч-Бруевич, «Применение электронных ламп в экспериментальной физике». Гостехтеоретиздат, 1955; Дж. Маркус, В. Целиф «Техническое применение электронно-ламповых схем», Изд-во иностранной литературы, Москва, 1954; Л. Бергман, «Ультразвук», Изд-во иностранной литературы, 1956.

В заключение полезно повторить некоторые общие соображения, связанные с использованием ультразвуков. В тех случаях, когда ультразвук служит средством исследования: в дефектоскопии. при изучении упругих свойств веществ, при исследовании различных процессов и т. п., следует пользоваться возможно менее интенсивными ультразвуковыми колебаниями, с таким расчетом, чтобы собственное влияние ультразвука было бы наименьшим.

Наоборот, при изучении действия ультразвука необходимы мощные колебания. При этом, как правило, не следует очень значительно повышать частоту ультразвуковых колебаний, так как многие эффекты легче наблюдать при действии ультразвуков не слишком большой частоты.

Для измельчения жидкостей часто оказываются более пригодными механические, а не пьезоэлектрические источники ультразвука. И, наконец, при работе с пьезоэлектрическими генераторами необходимо строго соблюдать соответствующие меры предосторожности, связанные с наличием высоких электрических напряжений.

ЛИТЕРАТУРА ОБ УЛЬТРАЗВУКАХ, ИХ СВОЙСТВАХ И ПРИМЕНЕНИИ

Бергман Л. Ультразвук. Изд. иностранной литературы, 1956.

Красильников В. А. Звуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. Гостехиздат, 1951.

Кудрявцев Б. Б. Применение ультраакустических методов в практике физико-химических исследований. Гостехиздат, 1952.

Кудрявцев Б. Б. Простые опыты с ультразвуками. Учпедгиз, 1954.

Кэрлин Б. Ультразвук. Изд. иностранной литературы, 1950.

Михайлов И. Г. Распространение ультразвуковых волн в жидкостях. Гостехиздат, 1949.

Пирожников А. Б., Защук И. В. Применение ультразвука и электроники в промышленности строительных материалов. Промстройиздат, 1954.

Розенберг Л. Д. Применение ультразвука. Изд. Академии наук СССР, 1957.

Сборники «Проблемы современной физики». 1. Акустика, 1952, 9. Акустика, 1953. Изд. иностранной литературы.

Сборники «Применение ультраакустики к исследованию вещества». Изд. МОПИ, 1955, 1956, 1957, 1958.

Соколов С. Я. Современные проблемы применения ультразвука. Журнал «Успехи физических наук», т. 40, вып. 1, 1950.

Соколов С. Я. Ультразвук и его применение. Журнал «Природа», 1954, № 3.

Эльпинер И. Е. Ультразвуковые волны в биологии и медицине. Журнал «Успехи современной биологии», т. 25, вып 2, 1949.

Пирожников А. Б. Развитие акустических методов контроля качества бетона и железобетона за рубежом. Углетехиздат, 1957

Фридман В. М. Звуковые и ультразвуковые колебания и их применение в легкой промышленности. Гизлегпром, 1956.

Лейбензон Б. И., Гальченко Г. Е. Применение ультразвука для маркшейдерских измерений. Углетехиздат, 1957.

Гарлинская Е. И., Беззубов А. Д. Ультразвук и пути его применения в пищевой промышленности Пишепромиздат, 1955.

Бабиков О. И. Ультразвук и его применение. Государственное издательство физико-математической литературы, 1958.

ОГЛАВЛЕНИЕ

От Издательства

От автора

Глава 1

Мир звуков

Сначала о звуках слышимых

Состязание звуков

Законы слышимости

Ультразвуки

Глава 2

Первые применения ультразвука

Много лет назад

Новая задача

Звук и свет

Чудесные кристаллы

На помощь природе

Как построить ультразвуковой генератор

Как «услышать» неслышимые звуки

Почему гудят трансформаторы?

Надежный разведчик

Механический сторож

Ультразвуковой эхолот

Ультразвуковые волны делаются видимыми

Глава 3

Ультразвук и живые существа

Загадка летучих мышей

По пути, указанному природой

Действие ультразвука на простейшие живые существа

Что произошло с рыбками?

Глава 4

Звукохимия

Первые шаги

Электрические заряды и пузырьки

Молекулы-гиганты

Двойственность свойств неслышимых звуков

Таинственное свечение

Ультразвук заменяет время

Глава 5

Помощник человека

Дробящий звук

Ультразвук помогает спасти человеческую жизнь

Наука и практика

Ультразвук моет шерсть

Ультразвуковой паяльник

Ультразвуковое долото

Ультразвук очищает воздух

Новый источник ультразвука

Ультразвуки и металлургия

Ультразвук помогает интенсифицировать производство

Флюидизация

Глава 6

Ультразвуковой контроль

Звук-браковщик

Метод сквозного прозвучивания

Отражательный дефектоскоп

Механическая память

Преодоление препятствий

Ультразвук ставит диагноз

Как ультразвук помогает исследовать строение земли

Ультразвук контролирует химические превращения

Как узнать упругие свойства вещества

Чудесный термометр

Автоматический анализатор

Ультразвуковой измеритель скорости потока

Измеритель толщины

Глава 7

Ультразвуковой микроскоп

Ультразвуковая оптика

Как устроен ультразвуковой микроскоп

Новая конструкция

Практическое применение ультразвукового микроскопа

Приложение

Литература об ультразвуках

Информация об издании

Профессор Борис Борисович Кудрявцев

«О НЕСЛЫШИМЫХ ЗВУКАХ»

Редактор Я. М. Кадер

Консультант издательства доцент Л. Г. Меркулов

Художественный редактор Г. В. Гречихо

Обложка художника С. Н. Митрофанова

Технический редактор А. М. Гаврилова

Корректор Л. И. Стебакова

-----

Сдано в набор 2.6.58 г.

Подписано к печати 20.9.58 г.

Формат бумаги 84×108^1/32—4½ печ.л.—7,38 усл. печ.л. 1 накидка—⅛ печ.л. = 0,205 усл.печ.л. 7,538 уч.-изд.л.

Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР

Москва, К-9, Тверской бульвар, 18.

Изд. № 1/9048.

Г-40721.

Зак. 1131.

-----

1-я типография

Военного издательства Министерства обороны Союза ССР

Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3

Цена 2 р. 35 к.

Примечания

1

Ультразвуковое локирование — временный, неустоявшийся, устаревший термин. Сейчас используется термин «Ультразвуковая локация» — прим. Гриня

2

Сейчас в основном используется термин «дегазация» — прим. Гриня

3

Пикофарада равна одной миллионной доле микрофарады, или 0,9 сантиметра.

Content

Кудрявцев Борис Борисович О неслышимых звуках

О НЕСЛЫШИМЫХ ЗВУКАХ

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

ОТ АВТОРА

Глава 1. МИР ЗВУКОВ

Глава 2. ПЕРВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Глава 3. УЛЬТРАЗВУК И ЖИВЫЕ СУЩЕСТВА

Глава 4. ЗВУКОХИМИЯ

Глава 5. ПОМОЩНИК ЧЕЛОВЕКА

Глава 6. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ

Глава 7. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОП

Приложение. УСТРОЙСТВО ПРОСТЕЙШИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

ЛИТЕРАТУРА ОБ УЛЬТРАЗВУКАХ, ИХ СВОЙСТВАХ И ПРИМЕНЕНИИ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Информация об издании

Примечания