Ультразвук на службе у человека
В статье подробно описаны свойства ультразвука, используемые человеком для определения качества акустики и в дефектоскопии, в медицине, определении усталости металлов, при проектировании и других областях человеческой жизнедеятельности.
Важное свойство ультразвука
Не все звуки можно слышать. Если частота колебания звуковой волны, доходящей до уха, чересчур высока или низка, ухо не реагирует на нее, и мы ничего не слышим. Ультразвуки - это как раз такие волны, у которых частота превышает верхний порог слышимости. Они слишком высоки и человеческое ухо не воспринимает их.
Благодаря именно этому свойству, ультразвуки находят применение при изучении акустических свойств больших помещений, например концертных и театральных залов, на макетах. Концертный зал должен обладать хорошей акустикой. В зале не может быть таких мест, куда звук долетает со сцены в искаженной или приглушенной форме.
Ультразвук для определения качества акустики
Однако, при проектировании зала трудно точно предвидеть его акустические свойства. Ведь в любую точку зрительного зала звук поступает не только прямо со сцены, но и после многократного отражения от потолка и стен. Звуковые волны отражаются от них, как световые лучи. От гладких и твердых поверхностей они отражаются, как свет от зеркала, от занавесей и ковров - звук совсем, или почти, не отражается.
Во избежание ошибок в проектах строятся макеты, точно воспроизводящие форму зала, например, в двадцатикратном уменьшении. На эстраде макета устанавливаются приборы, испускающие ультраволны, частота которых в 20 раз выше, а, следовательно - длина в 20 раз меньше, чем звуковых волн, образуемых музыкальными инструментами во время концертов.
Ультразвуковые волны распространяются в макете точно так же, как обычные звуковые волны. В разных местах макета помещаются специальные микрофоны, с помощью которых измеряются, доходящие до них, ультразвуковые волны. Так, заблаговременно можно узнать, как будут восприниматься в большом зале звуки, производимые инструментами на сцене.
Ультразвук и дефектоскопы
Ультразвуковые волны «работают» в приборах, позволяющих изучать дефекты материалов, так называемых, дефектоскопах. Предположим, что мы хотим узнать, не поврежден ли на каком-то участке железнодорожный рельс. Осмотр рельсов на всем пути — дело, весьма, трудоемкое. К тому же, трещина может быть не заметна невооруженным глазом или вообще находиться внутри.
С помощью ультразвукового дефектоскопа проверка проходит быстро, а возможность пропуска дефекта исключается. Прибор действует, как радар, который посылает радиоволны и регистрирует волны, отраженные от препятствия.
В дефектоскопе специальная головка посылает ультразвуковую волну, а вернее, короткие импульсы ультразвуковых колебаний в исследуемый рельс, а другая головка, расположенная рядом, регистрирует возвратившийся импульс — эхосигнал.
Если в рельсе нет трещин, приемная головка принимает только волны, отраженные от противоположного конца рельса, от ее задней стенки. Если же внутри рельса есть трещина, то в приемную головку возвращаются два импульса: импульс, отраженный от дефекта и от конца рельса.
Время прохождения импульса известно, поскольку известна скорость распространения в рельсе ультразвуковой волны и расстояние, которое должна пройти волна. Оно равно двум длинам рельса. Импульс, отраженный от трещины, проходит более короткое расстояние и возвращается раньше. Время, которое прошло с момента высылки волны до момента регистрации эхосигнала, отраженного от трещины, позволяет определить расстояние до нее, то есть, место, где находится дефект.
Эхосигналы наблюдают на экране прибора. Расстояние между началом световой кривой на экране и передним фронтом импульса пропорционально времени прохождения импульса, то есть, расстоянию принимающей головки и дефектом, положение которого, благодаря этому, можно сразу же определить. Конечно, чем больше трещина или несплошность, тем большая часть падающей волны отражается. Величина эхосигнала позволяет, таким образом, определить размеры трещины.
Дефектоскопы используют для проверки построек, зданий, поскольку позволяют определить дефекты в бетонных опорах, несущих стенах и так далее. С помощью этих приборов проверяют металлическое литье, детали машин, соединения, например, сварные швы, соединяющие разные материалы.
Дефектоскопия имеет еще и то преимущество, что такой метод исследования не ведет к разрушению образцов и не меняет их свойства. В дефектоскопах используются волны, которые вызывают слабые колебания атомов в исследуемых материалах.
Дефектоскописты регулярно проводят обследование трубопроводного парка предприятий и определяют какие участки нуждаются в ремонте, а какие - в реконструкции или замене. Дефектоскопист как врач в медицине ставит диагноз нефтепроводам и водоводам в промышленности. Ультразвуковой контроль трубопроводов проводится регулярно, согласно графику, без вывода из эксплуатации, то есть не нарушая их физического состояния.
Если бы эти колебания были сильнее, то тогда межатомные связи, от которых зависят механические свойства материала: упругость, сопротивление разрыву, усталость, прочность и так далее, могли бы, по крайней мере, в некоторых местах измениться или ослабнуть. В этих местах материал утратил бы свои изначальные свойства и образовался бы дефект.
Ультразвуковые исследования в медицине
Применение очень слабых волн позволяет использовать приборы, действующие по принципу дефектоскопа, в медицине. Поскольку, слабые ультразвуковые волны, имеющие высокую частоту, не оказывают отрицательного воздействия даже на самые чувствительные ткани человеческого организма, можно безо всяких опасений "просвечивать" ими даже глазное яблоко.
Если внутри глазного яблока находится какой-то кусочек металла или другого твердого предмета, с помощью волн можно определить его местонахождение. Так же можно устанавливать положение плода, что позволяет избежать осложнений при родах.
Усталость металлов
Ультразвуковые волны применяются, в частности, для исследования, так называемой, усталости металла. В машинах, автомобилях, самолетах и так далее, есть различные детали, например, рессоры, несущие балки, которые при работе этих машин сгибаются или колеблются. Кусочек металла, сгибаемый и разгибаемый много раз, так же как рессора или пружина, через некоторое время может лопнуть и сломаться. Это явление и называется усталостью металла.
Почему так происходит? Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из множества, соединенных друг с другом, маленьких кристаллов. В кристаллах атомы металла расположены ровными рядами друг около друга. Такое расположение атомов вызвано их взаимным притяжением.
Когда два соседних атома удаляются друг от друга, сила притяжения сразу же заставляет их вернуться на место. Но они не могут чересчур приблизиться друг к другу, поскольку, этому препятствует сила отталкивания.
Таким образом, атомы кристаллов располагаются ровными рядами, так как каждый атом находит такое место, в котором он не притягивается и не отталкивается - положение равновесия. Если, однако, оба атома удаляются друг от друга, сила их взаимного притяжения начинает ослабевать и по мере увеличения расстояния, совершенно перестает действовать. Так и возникают трещины и переломы металла: расстояние между атомами металла становится таким большим, что атомы перестают удерживать друг друга.
Почему многократное сгибание может привести к образованию трещины, если такой же единичный сгиб ничего не изменяет в металле? Оказывается, кроме движения, связанного со сгибами или вибрацией всего куска металла, например, рессоры, атом все время совершает очень быстрые неупорядоченные тепловые колебания.
Может оказаться, что тепловое движение атома и движение, вызванное сгибанием всего кристалла, приведут к тому, что атом «выскочит» со своего положения равновесия. Конечно, в связи с беспорядочным движением при тепловых колебаниях, это может произойти лишь с немногими атомами, к тому же, в совершенно разных точках кристалла.
«Дыры» в кристаллах металлов
Так в кристалле появляются места, где в ровных рядах атомов внезапно не достает одного из них. Другие атомы, которые расположены вокруг образовавшейся «дыры», удерживают друг друга немного слабее, ведь им не хватает связи с "вырванным" атомом. Часто атом, находящийся рядом с опустевшим местом, перескакивает на него, образуя тем самым «дыру» там, где он совсем недавно находился. Таким образом, "дыра" может передвигаться внутри кристалла. Сгибание металла заключается в растягивании рядов атомов по внешней стороне сгиба и на сжатии атомов по внутренней его стороне. Атомы, сжимаемые более интенсивно, легче других вскакивают на опустевшие места, и таким образом "дыры" перемещаются к внутренней стороне сгиба.
Каждый новый сгиб вызывает все новые «дыры», а они образуют все большие провалы в расположении атомов. Эти места в кристалле уже ослаблены. Под влиянием последующих сгибов здесь образуются сначала микроскопические трещинки, которые растут и приводят к разрыву, называемому усталостной трещиной.
Учёт усталости металлов при проектировании
При разработке проекта автомобиля обязательно надо знать, какое время отдельные его части смогут работать, прежде чем наступит их усталостное разрушение. Для этого детали машин проверяются на специальных стендах, где они работают так, как при эксплуатации. Однако такие проверки требуют очень много времени, а их результатов приходится ждать целыми неделями.
Использование ультразвуковых волн позволило сократить цикл исследования образцов металла на усталость до нескольких минут. Для этого создаются устройства, образующие ультразвуковые волны большой мощности. Затем, этими волнами воздействуют на, специально приготовленный, конусообразный образец металла.
Волна направляется со стороны основания конуса и по мере прохождения по образцу, все больше сужается. Колебания в узком конце образца очень сильны, и они действуют на металл так, как быстрое сгибание и разгибание.
Обычно, применяются ультразвуки частотой до 30 тысяч колебаний за одну секунду. За несколько минут образец подвергается такому количеству сжатий, как металл в рессоре автомобиля, проехавшего 100 тысяч километров по ухабистой дороге.
Значение ультразвука в промышленности, медицине, науке и многих других областях деятельности человека невозможно переоценить. Он и в дальнейшем будет играть важную, не последнюю роль для людей.
