О неслышимых звуках

Глава 6. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ

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.

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.

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.

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

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).

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.