Есть ли что-нибудь не поющее в мире?

Запели тесаные дроги...

С. Есенин

Пытаются шептать клочки

афиш, Пытается кричать железо

крыш,

И в трубах петь пытается
: вода

И так- мычат бессильно

провода.

Е. Евтушенко

До сих пор шла речь о ко­лебаниях, вызванных преимущественно периодиче­скими силовыми воздействиями. Имеется, однако, весьма обширный класс колебаний, источником кото­рых может служить какой-либо постоянный фактор: поток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п. Такие колебательные движения носят название автоколебаний. В обыден­ной жизни мы, возможно, сами того не замечая, встречаемся с автоколебаниями чаще, чем с колеба­ниями, вызванными периодическими силами.

Начнем с автоколебаний природного происхожде­ния.,Вой ветра в ветвях деревьев, в горах (вспомни­те у Тютчева: «Скалы поют, как кимвалы»). Это примеры автоколебаний вихревого характера, но про­дуктом воздействия постоянного возмущающего фак­тора могут быть и автоколебания строго периодиче­ского характера, одно- или многотональные.

Знаменитый мореплаватель Ф. Чичестер указыва­ет, что «ревущие сороковые» именуются так не за шум разбивающихся волн, а именно за рев и вой вет­ра в снастях судов. Чичестеру во время «одиночной кругосветки» пришлось изучать язык своего судна. «Каждый вздох, треск или грохот что-то означал; даже каждый оттенок завывания ветра в гротштаге имел свой смысл». Со временем Чичестер смог по Звукам вполне точно определять скорость и направ­ление ветра.

В великолепной монографии У. Брэгга «Мир све­та, мир звука» (к сожалению, сейчас подобные капи­тальные научно-популярные книги все больше вытес­няются брошюрками-однодневками) имеется глава «Звуки деревни». Здесь что ни звук, то автоколеба­ния. Стрекотание кузнечиков и цикад, журчание ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издавае­мые домашними и дикими птицами.

А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него самого) автоколебательный процесс? В основе его находится движение постоян/г ного потока воздуха из легких, модулируемого ко­лебаниями голосовых связок. Тончайшие фиори­туры модного колоратурного сопрано из столичного оперного театра и грубый рев быка с точки зре­ния физики звукообразования совершенно иден­тичны.

Упомянем о природных автоколебаниях несколько экзотического свойства. Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упо­минал о «звучащих берегах» таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного населения они в большинстве случаев вьь зывают страх, являются предметом легенд и преда­ний. «Когда боги смеются, берегись!» — предостере­гающе крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок выл и визжал; за­тем старик опустился на колени — песок взревел и затрубил»,'—так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа «Сердца трех», отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя.

Есть поющие пески и даже целая поющая песча­ная гора и у нас в стране. Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора Кал­кан—гигантский природный орган. При ветре и да­же при спуске с нее человека гора издает мелодич­ные звуки. После дождя и во время штиля гора без­молвствует...

Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было предложе-

7S

цо'. В последние' 'годы за- дело принялись английские акустики, а также советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда влекли к се­бе необычные акустические явления в природе. Раск­рывая очередной номер Акустического журнала А№ СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи, можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или водопадов, звуков в пеще­рах и подземных галереях. Дошла очередь и до пою­щих песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому слою, имеющему волнистый профиль поверхности* Вследствие сил трения при взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объяс­няют генерацию звука движущимися песками неко­торые иностранные ученые.

Если есть «звуки земли», то почему бы не быть голосу моря? Именно этим именем были наречены В. В. Шулейкиным инфразвуковые колебания, возни­кающие при движении ветра над гребнями морских волн. Академик Шулейкин не только открыл это яв­ление, но и предложил использовать его для прогно­зирования штормов с помощью специальных шаров-зондов, размещаемых на морских берегах.

Многочисленны и многообразны создания рук че­ловеческих, в которых возникают и используются автоколебания. Прежде всего, это различные музы­кальные инструменты. Уже в глубокой древности—• рога и рожки, дудки, свистульки, примитивные флей­ты. Позже — скрипки, в которых для возбуждения звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые; гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющи­еся под действием постоянного потока воздуха; орга­ны, из труб которых вырываются через узкие щели резонирующие столбы воздуха.

У кого из архитекторов далекого прошлого воз­никла мысль создать гигантский орган, звучащий под воздействием естественных потоков воздуха? Да к тому же совместить его с величественным изваянием одного из фараонов, правившего в XIV веке до на­шей эры? Кто бы это ни был, приходится удивляться

интуиции твор_;ца_; этого памятника- и практическим представлениям его в области акустики.

Пора удовлетворить законный интерес читателя. Конечно же, речь идет о знаменитом «мемнонском ко­лоссе», гигантском звучащем изваянии, установлен­ном вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и от­верстий с расположенными за ними камерами слож­ной формы.

Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел.^ат блюдения за звуками, издаваемыми статуей, записы­вал их на магнитофон и подвергал спектральному анализу. Выступление его на токийском Междуна­родном конгрессе по акустике послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бы­тующее иногда мнение об ученых, как о сухих, чер­ствых людях, которым чуждо все человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском ко­лоссе, то в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где заседали дру­гие секции конгресса, было пустовато.

Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имити­рует голос человека. После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э.эта способность была утрачена памятником.

Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5 часов утра, зимой — после 7 ча­сов. Звук мелодичный, продолжается 1—2 часа. Не­сомненно, что он вызывается восходящими потока­ми воздуха, нагреваемого утренним солнцем. Однако установить точную. физическую картину звуко­образования не удалось. Было высказано более де­сяти различных предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания резонато­ров Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с нагретой поверхностью) и т.п. Весьма вероятно одновременное действие нескольких механизмов возникновения «пения».

^^N/"Следует, таким образШ; кСгнс'гатй^оваТь, что взя-тая на себя Бшорром миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это ориги­нальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих исследователей.

¹ ""Перейдем, однако, от уникальных памятников старины к научно-техническим творениям современно­сти. Используя автоколебательные системы и прин­ципы, удалось создать много нужных машин, прибо­ров, устройств. В разработанных человеком устрой­ствах особенно отчетливо выделяются три элемента, необходимых для осуществления автоколебательного процесса. Это — источник постоянной энергии, собст­венно автоколебательная система и тот или иной ре­гулятор поступления энергии в систему.

Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь — паровой котел, регулятор поступле­ния энергии в движущийся механизм—золотник, а сама автоколебательная исполнительная система—• движущийся в цилиндре поршень, связанный с коле­сами локомотива с помощью штока, шатуна и криво­шипа.

В обычных часах источником потенциальной энер­гии служат заведенная пружина или поднятые гири, а распределителем — анкерный механизм, который приводит в периодическое движение маятник и зуб­чатые колеса, связанные со стрелками. Разнообраз­ные пневматические инструменты, сирена, электрон­ные генераторы и многие, многие другие автоколеба­тельные системы также исправно служат людям.

Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные автоколебания, приводящие к по­вреждению и даже разрушению сооружений и уст­ройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом известны случаи, когда обруши­вались от колебаний неправильно рассчитанные мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвра­щения разрушения высоких металлических труб, на­ходящихся в ветроопасных местах, был предложен Ьстроумный прием, заключающийся в наварке на на­ружной поверхности труб по пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя обтекающий трубу горизонтальный ветровой

поток вверх, препятствовали возникновению за тру­бой пагубных для нее мощных вихрей.

Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых) представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды или пара. Изменением конструкции трубок, увеличе­нием расстояния между ними для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защи­тить котлы от выхода из строя.

Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления в историю самолето­строения и воздухоплавания. Первое из.них имеет профессиональное название флаттер. Этому автоко­лебанию подвержены плоскости самолета и его хво­стовое оперение. Само название (англ, flutter —тре­петание) указывает на характер, явления. Оно срод­ни колебаниям листьев деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям. В настоящее время достаточно сложный механиз-м флаттера полностью выяснен, и части самолетов рассчитываются так, что­бы это опаснейшее явление не могло возникнуть.

Другим опасным колебанием явилось шимми — виляющие движения колеса шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это название было использова­но авиаторами потому, что виляющее движение ко­леса в плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми была дана М. В; Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных шарниров позволило иск­лючить аварии и вследствие шимми.

Роль виляющих колебательных движений в тех­нике вообще не так мала, как может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной ско­ростью могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных' тросов и даже к повреждению самих емкостей.

 

,"•• Судоводители, впервые обнаружившие это явление, по-видимому, не знали, что Рэлей предсказал возмож­ность таких колебаний еще

Автоколебания буксируемой плавучей емкости (вид в пла­не).

^>в конце прошлого века на основании результатов весь­ма изящного опыта. За от­сутствием устройств, сооб­щающих жидкости прямо­линейное движение, им был использован наполненный водой, сосуд относительно большого диаметра, вращае­мый вокруг вертикальной оси. Когда у стенок сосуда, где скорость движения жид­кости наибольшая, в воду был опущен груз маятника, то помимо естественного по­стоянного отклонения по течению жидкости он начал совершать также колеба­тельные движения в перпен­дикулярном направлении. Итак, мы коснулись ав­токолебаний приятных (не­которые музыкальные зву­ки), автоколебаний полез­ных (составляющих основу устройства некоторых ма­шин и приборов), наконец, автоколебаний опасных.

Есть также автоколебания, пусть не особенно опас­ные, но в достаточной степени раздражающие. Кому из нас не приходилось воевать уже не с пою­щими, а с ворчащими, рычащими, стонущими труба­ми в ванной? А скрипы плохо смазанных петель, дверных створок, касающихся пола? Впрочем, не все­гда и не всех эти звуки раздражали. В повести Го­голя «Старосветские помещики». есть строки, свиде­тельствующие, что подобные автоколебания могли и умилять: «Но самое замечательное в доме — были

поющие двери. ^! Как только наставало утро, пенне дверей раздавалось по всему дому. Я не могу ска­зать, отчего они пели: перержавевшие ли петли были тому виною, или сам механик, делавший их, скрыл в них какой-нибудь секрет; но замечательно то, что каждая дверь имела свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым тоненьким дискан­том; дверь в столовую хри-пела басом; но та, которая была в сенях, издавала какой-то странный дребезжа­щий и вместе стонущий звук, так что, вслушиваясь в него, очень ясно, наконец, слышалось: батюшки, я зябну!»

И далее Гоголь пишет:

«Я знаю, что многим очень не нравится сей звук; но я его очень люблю, и если мне случится иногда здесь услышать скрып дверей... боже, какая длин­ная навевается мне тогда вереница воспоминаний!»

Интересно, что сказал бы Гоголь или его милые
старички, если бы рядом с ними раздался скрип, вер­
нее, страшный визг тормозов современного автомо-
биля? Едва ли хоть когда-нибудь и у кого-нибудь эти
звуки наших дней смогли бы вызвать милые воспо­
минания...,

ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Соколов намного обогнал свое время...

Г. Чедд. Звук

Автор должен предупредить

читателя, что, несмотря на жизнеутверждающий тон заголовка, в повествовании об ультразвуке будет и доза ламентаций. Но сначала некоторые воспомина­ния довольно давних лет. Тема их также, естествен­но, связана с названием. К тому же они радостны, как всякие воспоминания («что пройдет, то будет ми­ло»—А. С. Пушкин).

Итак, май 1938 года. Наш учитель, профессор Ле* нинградского электротехнического института С. Я. Со* колов, входит в аудиторию,

-.,,— Что-то вас малр, сегддня. Ясно, до сессии еще далеко, а погода хорошая. Пойдем и мы погуляем.

Группа студентов проходит со своим преподавате­лем мимо первой в стране лаборатории электроаку­стики, размещающейся в старой церкви. За ней — царк, тянущийся до одного из рукавов Невы.

Соколов обращается к студентам:

— Хочу поговорить сегодня с вами о перспекти­
вах применения ультразвука. Сейчас в них мало кто
верит, а они будут гигантскими и вы еще сами убеди-
т_?есь в этом. Кстати, несколько лет назад на этих вот
деревьях, осенью, когда ветви были без листьев, я
развесил восемьсот метров стальной проволоки и
убедился, что затухание звука, в том числе и ультра­
звуковой частоты, в металлах ничтожно.

— Вы знаете об успехах нашей лаборатории в
ультразвуковой дефектоскопии металлов, — продол­
жал Сергей Яковлевич. — Так нот, ультразвук будет
«просвечивать» и тело человека, причем в отличие от
рентгеновских лучей это совершенно безвредно. С по­
мощью ультразвука мы уже делали эмульсию ртути
с маслом и водой. Если мощность звукоизлучения до­
статочна, можно эмульгировать практически любые
компоненты. Но и это далеко не все. Пробовали на
металлургическом заводе облучать ультразвуком рас­
плавленный металл. Зернистость его уменьшается во
много раз. Можно получать сплавы с высокой сте­
пенью однородности структуры. Можно применять
ультразвук и для очистки изделий, для соединения
металлов друг с другом. А влияние ультразвука на
химические реакции? Ведь это поистине безгранич­
ная область.

— Сергей Яковлевич, а где все это описано? —
спрашивает кто-то из нас.

— Публикуем понемногу результаты в журналах.
Но мыслей столько, что не успеваем все описывать.
В общем, применения ультразвука будут чрезвычай­
но многообразны, и очень важно создать электронно-
акустический преобразователь, делающий видимым
любое ультразвуковое изображение. Сейчас наша ка­
федра совсем близка к созданию такого преобразо­
вателя. (Он вскоре и был создан С. Я. Соколовым —.
И. К.)

Прошло четыре десятилетия. Просматриваю толь­ко что вышедшие книги по применению ультразвука! «Ультразвуковая технология», 1974; «Применение ультразвука в промышленности», 1975. Конечно, тех* ника значительно усовершенствовалась, вскрыты мно­гие новые закономерности, но некоторые из основных направлений в применении ультразвука все те же, о которых мы слышали в довоенные студенческие годы. Может быть, в этих коллективных монографиях упо­мянуто хотя бы вскользь имя основателя советской (и, по существу, мировой) ультраакустики, предвосхи­тившего многие применения ультразвука? Нет, в этих отечественных изданиях (в отличие от некоторых иностранных работ) напрасно было бы искать имена людей, стоявших у истоков ультраакустики...

Перечислим некоторые успешные современные технологические применения ультразвука. Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную мелкокристал* лическую их структуру. Это видно хотя бы из приво-»-димого рисунка, взятого из упомянутой книги «Применение ультразвука в промышленности» (суще*

Влияние ультразвука на структуру чугуна. Слева —

образец, не подвергавшийся действию ультразвука;

справа — образец, обработанный ультразвуком во

время кристаллизации.

Ультразвуковая сварка под давлением. Микроструктурный анализ показывает, что стык шероховатых поверхностей (ри­сунок слева) уже через 0,1 секунды после воздействия ультра­звука (горизонтальные стрелки) приобретает гладкую струк­туру.

ствуют подобные же фотографии, полученные еще С. Я. Соколовым, но, разумеется, новые данные все­гда более убедительны). Облучение ультразвуком расплавленных металлов содействует удалению из них газов, что в конечном итоге также улучшает ка­чество металла, обеспечивает отсутствие в нем уса­дочных раковин. На симпозиуме по ультразвуку в Дюссельдорфе в 1973 году ученые из ФРГ сообщи­ли, что ими разработана методика формирования тре­буемой структуры металла при воздействии ультра­звука.

Ультразвук используется также при закалке и от­пуске 'сплавов, сварке и пайке, значительны перспек­тивы применения ультразвука при сверлении и дол­бежке твердых материалов, очистке металлических изделий, для предотвращения образования накипи на стенках котлов и иных сосудов, получения одно­родных горючих смесей, при газоочистке и сушке различных материалов. В США освоен дешевый ме­тод нарезания резьбы произвольного профиля на ме­таллических изделиях с помощью ультразвука.

О масштабах технологического применения ульт­развука говорит то обстоятельство, что в США ульт­развуковое оборудование изготовляют более 50 фирм. Мощность ультразвуковых установок достигает 10 ки­ловатт и более. Разнообразное ультразвуковое обору­дование для различных технологических процессов изготовляется и в нашей стране.

Польские инженеры разработали метод осажде­ния густого тумана с помощью мощной направленной ультразвуковой сирены. Будучи установлена на носу судна, такая сирена способна улучшить видимость

в направ-лении _; движения на.несколько сот метров
вперед. '.

Другая важная сфера применения ультразвука — автоматический неразрушающий контроль. На судах широко применяются ультразвуковые уровнемеры и расходомеры различных жидкостей в трубах и сосу­дах. На ежегодном симпозиуме по ультразвуку, про­ходившем в 1974 году в г. Милуоки (США), амери­канские специалисты сообщили о разработке вы­сокотемпературных ультразвуковых преобразователей для контроля узлов жидкометаллических атомных реакторов. Эти преобразователи могут применяться как в стационарных, так и в судовых ядерных энер­гетических установках.

Ультразвуковая дефектоскопия металлических ли­стов и различных изделий являет собой пример тра­диционного и достаточно давнего промышленного применения ультразвука. Еще в 1942 и 1953 годах С. Я- Соколову и группе его сотрудников были при­суждены Государственные премии СССР за разра­ботку и внедрение ультразвуковых дефектоскопов. С тех пор методы и аппаратура ультразвуковой дефектоскопии значительно усовершенствовались. Со­временные дефектоскопы позволяют выполнять конт­роль однородных материалов на глубину от 0,5 мил­лиметра до 5 метров, при этом в металле обнаружи­ваются внутренние раковины, трещины и расслоения размером в доли миллиметра. Для выявления столь малых дефектов используется ультразвук с частотой до нескольких мегагерц.

Весьма интересные и глубокие теоретические ис­следования в области ультразвуковой дефектоскопии были выполнены Л. Г. Меркуловым.

Существует несколько методов производственной ультразвуковой дефектоскопии. В наиболее простом (и первом по времени возникновения) теневом мето­де, или методе сквозного прозвучивания, излучатель и приемник ультразвука размещаются один против другого по разным сторонам изделия. Наличие де­фекта на пути ультразвуковых волн проявляется прежде всего в ослаблении принимаемого сигнала. Синхронное движение вдоль поверхности изделия из-

и приемника ^ позволяет йбследовать всю _i йлощадь испытуемого изделия.

Более совершенный импульсный эхо-метод в принципе мало отличается от метода морского эхоло-тирования^ Излучатель на поверхности изделия перио­дически посылает ультразвуковые импульсы и прини­мает сигналы, отраженные от дефектов или неодно-родностей внутри изделия. Время между посылкой и приемом импульсов позволяет по известной скорости ультразвука определять глубину залегания дефекта. Существуют и некоторые другие, более сложные ме­тоды выявления неоднородностей в изделиях, приме­няемые прежде всего при исследовательских работах.

В настоящее время в СССР разработано значи­тельное количество совершенных ультразвуковых де­фектоскопов. Броневые плиты, судовые валы и другие изделия подвергаются весьма тщательному ультра­звуковому контролю.

Нельзя не упомянуть о применении ультразвука в медицине. Оставляя в стороне вопросы ультразву­ковой терапии, мы не можем не остановиться на ультразвуковых методах диагностики, связанных, по существу, все с той же «ультразвуковой дефектоско­пией», «неразрушающим контролем», но уже не ме­таллов и изделий, а самого человека (именно потому мы и взяли эти термины в кавычки). На основе но-. вых систем электронно-акустических преобразовате­лей созданы весьма совершенные визуализаторы внутренних органов человека. Так как разные ткани обладают различными акустическими свойствами, то по картине отраженных или прошедших звуковых волн можно судить о состоянии исследуемой части тела. Отчетливо фиксируются нарушения положения и формы внутренних органов, наличие опухолевых процессов и иные отклонения от нормы.

Начиная с 1974 года проводятся ежегодные кон­грессы по ультразвуковой медицине. Поражает изоб­ретательность, с которой медики при помощи инже­неров находят все новые и новые применения ультра­звуку. Здесь и определение содержания липоидов в тканях с помощью оценки ультразвукового рассеяния от них, и применение фокусированного ультразвука для раздражения нервных структур и для измерения

/

скорости потока кро»й, и даже непрерывное ©бёспе-чение контроля за продвижением плода при родах (что очень заинтересовало акушеров).

Обнаружены интересные физические зависимости* Установлено, например, что поглощение ультразву­ка в легком гораздо больше, чем в других мягкий тканях, а поглощение ультразвука в костях неожидан­но слабо зависит от его частоты. Разработан ме­тод математического моделирования тканей с помо­щью ультразвуковых сигналов. Согласно этому мето­ду измеряется величина ослабления звукового сигна­ла, прошедшего через ткань, а также изменение фазы сигнала в зависимости от частоты ультразвука. Вы­полняя Фурье-преобразования с измеренными сигна­лами, определяют частотный отклик ткани и с по­мощью ЭВМ вычерчивают электронный аналог мо­дели ткани. Тщательный анализ полученной докумен-тализированной модели позволяет обнаружить участ­ки ткани даже с незначительной патологией, которая могла ускользнуть от внимания врача-исследователя при простом «просвечивании» ткани с помощью того же ультразвука.

Венцом ультразвуковой медицинской визуализа­ции можно считать приведенную в книге Г. Чедда картину расположения пяти близнецов в утробе ма­тери. Едва ли какой-нибудь врач решился бы приме­нить для получения подобного изображения рентге­новские лучи. Ультразвуковое же облучение (в опре­деленных дозах) абсолютно безвредно.

Применение комплексной диагностической систе­мы, состоящей из ультразвукового визуализатора, кардиографа и автоматического фоноскопа, анализи­рующего звуки сердечных сокращений, позволяет в наилучшей степени установить вид того или иного сердечного заболевания.

Характерная для современной электроники миниа­тюризация и микроминиатюризация ее элементов дает возможность получать сравнительно небольшие по размерам и даже переносные ультразвуковые си­стемы медицинской диагностики, что позволяет при­менять их не только в специализированных клиниках и стационарах, но даже, например, на судах»

^ Автор обещал читателю не касаться ультразвуко­вой терапии, ко невозможно не упомянуть о некото* рых свежих и смелых идеях, выдвинутых в последнее время отечественными и иностранными учеными. На­пример, установлено, что ультразвук может исполь­зоваться как средство усиления действия гамма-облучения на злокачественные опухоли. Обнаружено также, что при ультразвуковом облучении повыша­ется чувствительность живой клетки к воздействию химических веществ. Это открывает пути к созданию новых, более безвредных вакцин, ибо при их изготов­лении можно будет использовать химические реакти­вы значительно меньшей концентрации. Уже по­явился новый метод лечения — фонофорез, когда на кожный покров или слизистую оболочку наносится жидкое лекарство или мазь и затем эта поверхность обрабатывается ультразвуком.

Победное шествие ультразвука в промышлен­ности, химии, медицине и других областях человече­ской деятельности продолжается.

ОТ ДЫМОВЫХ ФИГУР

ДО АКУСТИЧЕСКОЙ

ГОЛОГРАФИИ

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.

Д. И. Менделеев

«"Я первым увидел звук»

Надпись на могиле Тендера в Дрездене

Акустические измерения..*

Замечание Леонардо да Винчи: «Опыт — основа всякой «достоверности» — применимо к ним в полной и, по-^ жалуй, даже особой мере, ибо мало кто в акустике **-%ерит одним теоретическим результатам, пусть даже |" полученным на весьма строгой основе. Видный аме­риканский акустик Ф. Морз в предисловии к своей ¹ монографии «Колебания и звук» (переведенной в СССР) пишет: «Ни в какой другой области физики Основные измерения не представляются столь трудно

.выполнимыми» как в ^акустике, тогда как теория о,Тг носительно проста». Оставим это утверждение на со­вести его автора, тем более что оно относится к 1936 году, когда акустическими измерениями занима­лись в различных странах лишь немногие ученые.

В 1937 году вышла первая в мире книга по а^уп стическим измерениям (автор Л. Л. Мясников)-. В ней описаны методы измерений звукового давления, акустического сопротивления, даны основы частот­ного анализа звука по представлениям того времени.

В наши дни область акустических измерений ра,Ст ширилась необычайно, появились новые аспекты, тат кие, как измерения звукоизоляции, звукопоглощения, виброизоляции, вибропоглощения, гидроакустические измерения, измерения акустических констант мате­риалов и веществ, корреляционные измерения и т. п. Монографии по отдельным видам акустических из-.мерений сейчас не редкость.

Властно заявляет о себе электронно-вычислитель­ная и управляющая техника. Она позволяет оптимизи­ровать условия измерений, свести к минимуму ошиб­ки. Последние достижения в этой области — авто­матическое управление измерениями при нескольких изменяющихся параметрах измеряемого процесса или условиях, в которых происходит этот процесс. Особен­но значительные результаты в этой сложной области получены в СССР А. Е. Колесниковым, Б. Д. Тарта-ковскйм и другими, в ФРГ — М. Шредером.

Мы остановимся здесь лишь на одном вопросе из области акустических измерений — вопросе визуали­зации звука и вибрации. В какой-то мере мы уже ка­сались его при рассмотрении применения ультразвука в промышленности и медицине.

В 20—30-е годы нашего столетия для визуализа­ции звуковых полей в воздухе применялись так назы­ваемые дымовые фигуры. Легкие частицы дыма, пыли или пудры при воздействии звукового поля принимают его конфигурацию. Стробоскопическое освещение с частотой звука позволяет зафиксировать картину. Ме­тод не требовал какой-либо сложной аппаратуры. Для гидроакустических полей он, естественно, неприменим.

Другой метод— теневой — достаточно старый и вечно новый. Впервые он был предложен Фуко в се-

прошлого столетия для исслёдОванМ'одНород. ности оптических сред и качества обработки оптиче­ских деталей. Существо его заключается в следую­щем. Лучи света от точечного источника проходят через исследуемую среду или изделие,' собираются в фо-кусе и проецируются на экран. В фокусе помеща­ется⁵ передвижная заслонка — нож с острой кромкой (он и поныне называется ножом Фуко). При опреде­ленном положении нож срезает изображение источ­ника,-но благодаря дифракции света экран все же слабо, хотя и равномерно освещен. Если на пути лу-ч^!ей света до ножа Фуко окажется оптически неодно­родная среда, лучи изменят свой путь и будут либо попадать на нож, либо, наоборот, проходить поверх него. В первом случае на экране появится тень, во втором возникнет более яркое освещение в соответ­ствующем месте экрана. В целом изображение неод­нородности появится на экране, окруженное темными и светлыми полосами.

Сгущения и разрежения среды при звуковом про­цессе связаны с изменением ее плотности, то есть с показателем преломления. Иными словами, это те же оптические неоднородности среды. Преподаватель фи­зики Теплер, возможно, даже не зная в точности при­бора Фуко, предложил использовать теневой метод для визуализации звуковых полей. Он получил в ми­ровой практике также название шлирен-метода (Schliere — оптическая неоднородность среды).

Чувствительность метода чрезвычайно высока. От­четливо фиксируются даже слабые звуковые поля. Если между источником и ножом Фуко поднести ру­ку, будут видны поднимающиеся от нее тепловые по­токи (также связанные с изменением показателя пре­ломления среды). На основе теневого метода созданы в различных странах конструкции интерферометров с высокой разрешающей способностью. Если в по­добный интерферометр ввести ванну со стенками из оптически однородного стекла, то можно наблюдать звуковые картины в жидкости. На приведенной фото­графии видно, как меняется характер рассеяния зву­ковых лучей в воде от металлических пластинок — гладкой и снабженной ребрами (периодическими пре­пятствиями).

Относительно тонкий слой воды, налитой на ко-5лющуюся пластину, позволяет весьма просто опре--"Делять места наиболее интенсивных колебаний пла­стины на различных частотах. До известной меры /можно выявить характер излучения звука в водный, |слой. На вертикальных же пластинах места интен* 'Дивной вибрации обнаруживаются по осыпавшейся с Ляластин меловой пасте.

В последнее время для визуализации звука и ви­брации предложено применять жидкие кристаллы. Хотя холестериновые вещества трудно сравнить с кристаллами, но именно некоторые виды холестери­новых соединений обладают свойством менять цвет в зависимости от температуры пленки или пластинки, на которую они нанесены.

Слой холестерина на такой пленке напоминает слой затвердевшей фотоэмульсии. Если коснуться его

Тонкий слой воды, нали­тый на поверхность со­единенной с вибратором металлической пластины, также позволяет визуали­зировать ее колебания.

Осыпавшаяся при коле­баниях металлической стенки или пластины фун­дамента меловая паста указывает места наиболее интенсивной вибрации, на которые следует уста­навливать. антивибра­ционные устройства.

лальцем_у то вокруг места-касания возникнут концен трические разноцветные круги. Каждому цвету при этом соответствует определенная температура. Кар­тина похожа на цвета побежалости на зачищенной поверхности остывающего металла.

При звуковых колебаниях происходят изменения
температуры частей колеблющегося тела, тем боль­
шие, чем больше амплитуда колебаний. Эти изменения
определяют цвет нанесенной на тело жидкокристалли­
ческой пленки, и можно видеть цветную картину рас­
пределения колебаний на поверхности тела. эдм./м

В более сложном устройстве для измерения ампли­туды звуковых волн (в том числе поверхностных волн Рэлея) в прозрачных пластинах жидкокристалличе­ский слой помещается между двумя подобными пла­стинами, установленными между скрещенными поля­роидами. При отсутствии звука в пластинах света на экране за вторым поляроидом нет, во время колеба­ний пластин он появляется. Получены формулы для определения интенсивности колебаний пластин по ве­личине прошедшего через поляроиды света.

Картина колебаний диффузора громкогово- - рителя, снятая с помощью лазерной визуа- лизационной установки.

Появление лазеров дало возможность разработать весьма совершенные установки для визуализации звуковых полей и вибрации. На рисунке приведена полученная И. А. Алдошиной картина колебаний ко­нического диффузора динамического громкоговори-

теля на частоте 500 герц.-Kjak видно, ойа' достаточно, сложна. Анализ подобных картин позволяет разрабо­тать звуковоспроизводящие устройства, работающие

с минимальными искажениями.

/• Голография занимает сейчас умы многих иссле-^Шателей. Основным достоинством ее является воз­можность получения трехмерных изображений. О слож­ности проблем в этой области можно судить по мате-' риалам книги «Акустическая голография», выпущен­ной издательством «Судостроение» в 1975 году и суммирующей результаты трех ежегодных междуна­родных симпозиумов по акустической голографии. Хотя перспективы применения ее велики в самых разнообразных областях (подводное звуковидение, визуализация предметов в мутных средах, что осо­бенно важно при аварийно-спасательных и водолаз­ных работах), но предстоит

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: