Ультразвуки на службе техники

Физика и техника наших дней обладают средством создавать "беззвучные звуки" гораздо большей частоты, чем те, о которых мы сейчас говорили: число колебаний может достигать в этих "сверхзвуках" ("ультразвуках") до 700 тысяч в секунду. Такой "тон" примерно на 18 октав выше самого высокого "ля" рояля,- тона, имеющего 3480 колебаний в секунду ⁴.

⁴ (В настоящее время верхняя граница используемого в пауке и технике ультразвука гораздо выше. Область ультразвуковых частот сейчас принято подразделять на три диапазона: низкие ультразвуковые частоты (1,5⋅10⁴ - 10⁵ Гц), средние (10⁵ - 10⁷ Гц) и высокие (10⁷ - 10⁸ Гц). Упругие волны с частотами 10⁹-10¹³ Гц называют гиперзвуком. Каждая из указанных областей имеет свои специфические особенности излучения, приема и распространения звука. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн в среде. Так, в газах граничная частота определяется из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При атмосферном давлении она порядка 109 Гц. Для гиперзвука минимальная длина волны соответствует межатомному расстоянию в твердом теле, т. е. около 10-10 м, а граничная частота достигает 10¹²-10¹³ Гц.)

Один из способов получения ультразвуковых колебаний основан на свойстве поверхностей пластинок, определенным образом вырезанных из кристалла кварца, при сжатии электризоваться*; если же, наоборот, заряжать периодически поверхности такой пластинки, то под действием электрических зарядов она попеременно сжимается и расширяется, т. е. колеблется: получаются ультразвуковые колебания. Заряжают же пластинку с помощью лампового генератора, частота которого подбирается в соответствии с так называемым "собственным" периодом колебаний пластинки ⁵.

^* (Это свойство кристаллов называется пьезоэлектричеством.)

⁵ (Кристаллы кварца являются сравнительно дорогими и маломощными источниками ультразвука и применяются обычно в лаборатории. Технические применения нашли искусственные синтетические материалы, например керамика титаната бария. Кроме пьезоэлектрических преобразователей, для возбуждения ультразвука используются часто более мощные магнитострикционные излучатели.)

Хотя ультразвуки безмолвны для нас, они обнаруживают свое действие иными, весьма ощутимыми проявлениями. Если, например, колеблющуюся пластинку погрузить в сосуд с маслом, то на поверхности жидкости, охваченной ультразвуковыми колебаниями, вспучивается горка высотой 10 см, а масляные капельки разбрызгиваются до высоты 40 см. Погрузив в такую масляную ванну конец стеклянной трубки длиной 1 м, мы ощутим в руке, держащей другой конец, сильнейший ожог, оставляющий следы на коже. Соприкасаясь с деревом, конец трубки, находящийся в состоянии колебания, прожигает отверстие; энергия ультразвуков превращается в тепловую.

Ультразвуковые колебания оказывают сильной действие на живой организм: нити водорослей разрываются, животные клеточки лопаются, кровяные тельца разрушаются; мелкие рыбы и лягушки умерщвляются ультразвуками за 1-2 минуты; температура тела испытуемых животных повышается,- у мыши, например, до 45 °С. Ультразвуковые колебания находят себе применение в медицине; неслышные ультразвуки разделяют судьбу невидимых ультрафиолетовых лучей, придя на помощь врачеванию.

Особенно успешно применяются ультразвуки в металлургии для обнаружения неоднородностей, раковин, трещин и других недостатков в толще металла. Метод "просвечивания" металла ультразвуком состоит в том, что испытуемый металл смачивают маслом и подвергают действию ультразвуковых колебаний. Звук рассеивается неоднородными участками металла, которые отбрасывают как бы звуковую тень; очертание неоднородностей так четко вырисовывается на фоне равномерной ряби, покрывающей масляный слой, что получающуюся картину можно даже сфотографировать ⁶.

⁶ (Метод ультразвуковой дефектоскопии был предложен в 1928 г. советским ученым С. Я. Соколовым. Сейчас применяются специальные приемники ультразвуковых колебаний, которые заменяют масло и делают измерения более простыми. Работы в области фокусировки и визуализации звуковых полей, а также развитие мощных математических методов обработки сигнала при построении изображения с помощью ЭВМ привели к созданию целого класса новых ультразвуковых приборов, так называемых звуковизоров, которые применяются сейчас в различных системах звуковидения, например в медицине при рассматривании неоднородностей в мягких тканях. Об этом см. подробнее в книге: Ультразвук / Под ред. Голяминой И. П.- М.: Советская энциклопедия.- (Маленькая энциклопедия), 1979.)

"Просветить" ультразвуком можно металлическую толщу в целый метр и более, что совершенно недоступно для рентгеновского просвечивания; при этом обнаруживаются неоднородности весьма мелкие - до одного миллиметра. Несомненно, что перед сверхзвуковыми колебаниями большая перспектива ⁷.

⁷ (Интересно отметить, что ультразвук встречается и в природе. 13 шуме ветра и морского прибоя есть частоты, соответствующие области ультразвука. Способностью излучать и принимать ультразвук обладают многие живые существа: бабочки, цикады и другие. Летучие мыши пользуются ультразвуком в полете, узнавая по отраженным сигналам о препятствиях на своем пути. Тонкий свист, испускаемый летучими мышами,- своеобразные "звуковые прожекторы", которые позволяют мышам свободно ориентироваться во время полета в полной темноте. Там, где много водится летучих мышей, женщины нередко боятся этих животных, говорят, что они впиваются в волосы. Действительно, голова, покрытая густыми волосами, является "звуковой ямой", от которой не отражается ультразвук. Желая вылететь из замкнутого помещения, потревоженная летучая мышь устремляется на голову, которую "на слух" воспринимает как люк. О звуках в природе и природных локаторах можно прочесть в книгах: Брэгг У. Мир света. Мир звука: Пер. с англ./ Под ред. Обреимова И. В.- М.: Наука, 1967; Литенецкий И. Б. Бионика. - М.: Просвещение, 1976.)