ЗНАК ВОПРОСА 2002 № 02

К читателям

Известно, что звуки, окружающие нас, очень разнообразны и подразделяются на слышимые (шум, музыка, речь) и неслышимые (гиперзвук, ультразвук, инфразвук). Физическая сущность слышимых и неслышимых звуков одна и та же. Почему же именно ультразвуковой диапазон привлек внимание ученых самых различных специальностей? Дело в том, что ультразвуки имеют некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвукового поля на определенном участке. Распространение ультразвука в газах, жидкостях и твердых телах сопровождается новыми интереснейшими явлениями, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

Ультразвук приобрел теперь множество профессий. Ультразвук строит и разрушает, режет и сверлит, штампует и паяет, очищает, сортирует, стерилизует, разведывает. Он помогает текстильщикам шлифовать основы и красить ткани, пищевикам экономить жиры, высокоэффективными способами осветлять виноградный сок, намного ускорять созревание духов, рыбакам обнаруживать косяки рыб, военным морякам — подводные лодки, машиностроителям определять в деталях скрытые дефекты. Его взяли на вооружение геологоразведчики и нефтяники. Довольны и химики, получая с помощью ультразвука тонкие краски и различные эмульсии. Применение ультразвука в металлургии привело к разработке принципиально новой технологии. Благодаря ультразвуку стало возможным синтезирование дисперсных сплавов и создание антифрикционных материалов, значительно интенсифицировался процесс обогащения руды. Ультразвуковые устройства нашли применение в радиоэлектронике и при исследовании состава и свойств вещества. Ультразвук стал незаменимым в диагностике и лечении заболеваний. Для этой цели созданы многие ультразвуковые медицинские приборы. И это еще не весь перечень, его можно продолжить.

Все большую роль ультразвук начинает играть в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные последования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы. Формируется новое направление в химии — ультразвуковая химия, то есть химия, использующая ультразвук для ускорения химико-технологических процессов. Научные исследования в области физики способствовали зарождению нового раздела акустики — молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука — интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазометрия, акустоэлектроника и др.

Одновременно с теоретическими и экспериментальными исследованиями выполнено много практических работ. Разработаны и внедрены в производство универсальные и специальные ультразвуковые приборы, станки, агрегаты, установки. Созданы и уже применяются ультразвуковые автоматы, включенные в поточные линии, они позволяют значительно повысить производительность труда, эффективность производства и улучшить качество продукции.

УЛЬТРАЗВУК И ЖИЗНЬ

Ученые-биологи провели простой, но чрезвычайно важный опыт. Под микроскопом — две капли воды. Одна облучена ультразвуком, в ней нет живых организмов. В другой капле мечутся гидры. Теперь исследователи аккуратно соединяют иглой капли, чтобы озвученная вода проникла к неозвученной. Гидры немедленно реагируют на это: их щупальца начинают беспорядочно двигаться. Через некоторое время кончики щупалец отмирают и распадаются, на пятнадцатой примерно минуте гидры превращаются в бесформенные мертвые комочки. Почему? Оказывается, в озвученной воде образуются сотые доли процента азотной кислоты. Ни на вкус, ни по запаху обнаружить такую ничтожную примесь невозможно. Однако изменение кислотности воды оказывается достаточным, чтобы нарушить процессы обмена веществ в микроорганизме. Уничтожающее действие на бактерии оказывают и кавитационные пузырьки, вблизи которых возникают импульсы очень высоких давлений.

Были проведены и другие опыты, которые показали, что ультразвук отрицательно влияет на многие простейшие живые организмы. Например, большие дозы ультразвука разрывают и уничтожают инфузории, и даже такие стойкие микроорганизмы, как туберкулезные палочки. Под действием ультразвука в течение одного часа снижается активность вирусов гриппа в тысячи раз, а такие бактерии, как стафилококки, стрептококки, вирусы энцефалита и некоторые другие, уничтожаются полностью. Разрушение микроорганизмов наблюдается только при повышенной интенсивности излучения. При малой же интенсивности ультразвука, наоборот, происходит стимулирование роста бактерий и вирусов. Способность ультразвука уничтожать микроорганизмы и бактерии ученые-медики использовали в своей практике. — Так, например, ультразвуком начали стерилизовать препараты сыворотки крови из плазмозаменяющих растворов, что повысило их качество и увеличило срок хранения.

Ультразвук действует и на более сложные живые организмы, такие как головастики, лягушки, рыбы и пр. При облучении ультразвуком эти организмы парализуются или погибают. Сразу же после начала облучения эти организмы проявляют сильное беспокойство, а через минуту полностью прекращают двигаться. Рыбы при этом переворачиваются на бок или даже вверх брюшком, а некоторые из них всплывают на поверхность. Если прекратить облучение, рыбы становятся вновь подвижными, а если облучение продолжить, то они погибают. При интенсивном облучении на теле рыб возникают небольшие кровотечения. В поле мощной ультразвуковой сирены в течение короткого времени погибают многие мелкие животные и насекомые.

Создано ультразвуковое устройство УЗГ, предназначенное для защиты от грызунов на площади до 200 м². Ультразвуковые сигналы дезориентируют грызунов, подавляя их способности в ориентации. Мыши покидают помещения через три дня, а крысы — через одну-две недели. Другое ультразвуковое устройство «Заслон» тоже используется для борьбы с мышами и крысами. Они не выдерживают определенной (ультразвуковой) частоты и разбегаются в разные стороны, покидая это помещение. Один ультразвуковой генератор обслуживает 8 излучателей. Для этих же целей применяется ультразвуковой прибор «Радаркан», но он рассчитан еще и на отпугивание тараканов и комаров.

Японской фирмой «Кобе» создан ультразвуковой генератор, работающий на частоте 19,5 кГц. При воздействии на крыс в течение некоторого времени ультразвуковыми волнами было замечено, что они становятся нервными, пугливыми, а иногда, наоборот, агрессивными и нападают друг на друга. Если ультразвуковой прибор повесить в амбаре или на складе, где водятся крысы, то через некоторое время они либо погибнут, либо будут вынуждены убежать в другое место. Зона эффективного действия прибора 225 м².

Всем известно, что дятлы — полезные птицы. Ведь они уничтожают насекомых, питающихся древесной массой, и тем самым сохраняют лес. Однако иногда они наносят и вред, разрушая своими мощными клювами деревянные строения, в стенах которых они разыскивают свое лакомство. Как бороться с птицами в этом случае, не уничтожая их? Японские инженеры и для этой цели применили специальный ультразвуковой генератор. Он работает на частоте 20–50 кГц, отпугивая дятлов в радиусе 50 м. Подобным методом можно бороться и с термитами, которые превращают деревянные сооружения в труху.

А как ультразвуковые колебания воздействуют на человека? Ведь с введением новых технологических процессов, современных машин и оборудования, связанных с применением ультразвуковых колебаний, все большее число людей подвергается воздействию ультразвука. В Московском институте гигиены имени Ф. Эрисмана были произведены многочисленные исследования по изучению влияния ультразвука на состояние рабочих, непосредственно связанных с ним в своей работе. Ученые установили, что на человека оказывают действие ультразвуковые колебания только большой интенсивности. Те, кто попал в зону сильного ультразвукового излучения, жалуются на недомогание и легкое головокружение, у них появляется тошнота. Если при ультразвуковых колебаниях большой силы держать рот открытым, то в нем ощущается покалывание, в носу появляется неприятное ощущение. Люди, работающие вблизи реактивных самолетов, а также с кузнечными и пневматическими молотами и другими машинами, производящими шум, быстрее утомляются, снижается их слуховая чувствительность. Ученые объясняют это тем, что некоторые механизмы наряду со слышимыми звуками излучают ультразвук.

В Институте охраны труда разработали меры борьбы с воздействием ультразвука на человека и совместно с Научно-исследовательским институтом технологии машиностроения определили предельно допустимые уровни звуковых давлений, вызываемых ультразвуковыми колебаниями в воздухе. Если же превышение допустимого уровня шума избежать по условиям технологии невозможно, специалисты института рекомендуют применять индивидуальные средства защиты — заглушки или противошумные наушники, противошумные экраны. Наиболее радикальная мера защиты — это размещение технологических агрегатов ультразвуковых установок в отдельных помещениях, куда рабочие могут заходить по мере надобности лишь на короткое время, используя средства индивидуальной защиты. Значительного ослабления шума можно добиться, если при конструировании ориентироваться на более высокие ультразвуковые частоты. Конструкторы уже разработали установки рабочей частотой 40–44 кГц вместо 18–22 кГц. Такие установки выпускаются промышленностью серийно.

При обслуживании ультразвуковых установок необходимо избегать контактного воздействия ультразвуковых колебаний через жидкость, детали или инструменты. При кратковременном контакте с деталями и жидкостью рекомендуется применять две пары перчаток из разнородного материала. Воздушная прослойка между перчатками способствует лучшему отражению и поглощению ультразвуковых волн.

Теперь о биологии в другом аспекте. Для человека, в отличие от дельфина, море, как среда обитания, носит эпизодический характер. Люди на кораблях, судах, шхунах, яхтах, лодках плавают месяцами и даже годами, но в конце концов возвращаются в свою привычную среду — на землю. Непосредственно в морскую стихию попадают водолазы, акванавты, аквалангисты, на ограниченное время и то только с применением специальных кислородных приборов.

Наступят те времена, когда для человека вода станет такой же средой, как воздух? Ученые говорят, что да, наступят. И не только говорят, но и много уже делают для этого в настоящее время. Огромную работу по исследованию морских глубин провел всемирно известный океанолог Французской академии Жак-Ив Кусто. Но все равно через некоторое время акванавты спешат возвратиться к себе домой — на землю и воздух.

Мечту человека — сделать морские глубины постоянной средой обитания — очень увлекательно высказывают писатели-фантасты. И млад и стар с огромным интересом читали и читают российского писателя-фантаста Александра Беляева «Человек-амфибия», а про себя думают, что, может быть, когда-нибудь сказка станет былью. Оказывается, их мечты не напрасны. Ученые давно занимаются этой проблемой и уже достигли определенных результатов.

В медицинском центре Дьюкского университета произведена первая в мире операция по превращению человека в амфибию. Им стал 38-летний американец Френсис Фалейчик. Эксперимент, записанный на кинопленку, прошел удачно. Однако фильм так и не увидел широкого экрана. Дальнейшая судьба человеака-амфибии скрыта за завесой тайны, опущенной военно-морским ведомством США.

Мечты о свободном покорении морских глубин не оставляют человечество на протяжении его цивилизации. Былины, предания народов повествуют о героях, опускающихся на дно морское и переживающих там приключения, из которых неизменно выходили победителями (Садко, Русалка). Правда, былины и предания обходят молчанием главный вопрос: как же человек дышит в морской стихии?

Проще всего ответить, что в сказках все возможно. Но не будем забывать, что древние народы относились к легендам не как к выдумке. Видимо, были у них какие-то основания считать, что человеку не чужд подводный мир. Тем более, что современное прочтение старинных легенд привело исследователей к ошеломляющему выводу: их создатели знали гораздо больше, чем мы могли предполагать. Недаром так распространена гипотеза о посещении Земли в далекие времена некоей инопланетной цивилизации, передающей людям свои знания.

Мировой океан привлекал и привлекает в первую очередь своими несметными богатствами, гораздо большими, чем на поверхности Земли или ее в недрах. Об этом знали еще в средние века. Гениальный Леонардо да Винчи создал проект водолазного колокола, позволяющего людям работать на морском дне. Но это было инженерное решение, а в «Человеке-амфибии» предложено биологическое решение — пересадить человеку вместо легкого жабры акулы. Это позволило бы ему свободно обитать в двух средах — водной и воздушной.

По законам биологии ничего невозможного тут нет. Недаром вымысел Беляева настолько захватил умы, что даже нашлись энтузиасты, захотевшие подвергнуться такой операции. Один из них был деревенский парень из Сибири. Это было перед началом войны. А четверть века спустя с такой же просьбой к врачам обратился известный бельгийский акванавт Робер Стенюи. Известно, что даже на современном уровне медицины подобная операция пока невозможна. Но в науке зачастую к одной цели могут вести как минимум два пути. Этими двумя путями и пошли исследователи, стремясь сделать человека равноправным обитателем морских и океанских глубин.

Первый путь предложил Ж. Кусто. Выступая на Втором международном конгрессе по подводным исследованиям в Лондоне в 1962 году, он выразил твердую уверенность в том, что уже в обозримом будущем человек сможет поселиться на дне океана. Причем он не будет нуждаться в воздухе или искусственных газообразных дыхательных смесях. По проекту Кусто у человека удалят легкие, а в организм вживят миниатюрное устройство, которое на основе химических реакций будет снабжать кровь кислородом и удалять из нее углекислый газ. Кусто даже точно обозначил временные вехи этой работы. Первые эксперименты на животных он планировал осуществить в 70-х годах, на человеке — к 80-му, а к 2000 году должна появиться новая раса «гомоакватикус». Первыми, по мнению Кусто, такой операции должны подвергнуться люди с неизлечимо больными легкими. Это дало бы им возможность сохранить жизнь, а заодно послужить человечеству в качестве освоения морской среды обитания.

Оказалось, что Кусто немного ошибся, переоценив возможности науки. К указанному им сроку «гомо-акватикус» появиться уже никак не может. Но это не значит, что он не появится вообще. Безусловно, речь пока не идет об удалении легких. Но создание компактной автономной системы искусственного газообмена для живого организма, предназначенного природой к обитанию к водной среде, принципиально возможно. Для современной науки и техники это вполне по силам и не исключено, что такая система уже создана.

В 1976 году американские биохимики супруги Бонвентура получили патент на устройство, способное извлекать из воды газообразный кислород и подавать его в легкие человека. Главный реагент в этом устройстве — гемоглобин, являющийся дыхательным пигментом в крови многих животных, в том числе и человека. Он выполняет функцию переноса кислорода от органов дыхания к тканям и углекислый газ от тканей к дыхательным органам. В аппарате гемоглобином пропитана губчатая полиуретановая мембрана, сквозь которую пропускается вода. Гемоглобин поглощает растворенный в воде кислород, который затем «высасывается» из него вакуумом или «вытаскивается» под воздействием слабого электротока и поступает в легкие. Аппарат очень компактен, помещается в специальный кожух-ранец и может обеспечивать ныряльщика кислородом неограниченно долго. Известно также, что для подводной лодки с экипажем 150 человек это устройство в виде цилиндра имеет метр в поперечнике и три метра в высоту. Больше об аппарате Бонвентура не известно ничего. Кроме одной детали: сан-францисская компания «Атлантик корпорейшен» заплатила миллион долларов за право ее использования. Но использовала ли? Можно строить лишь предположения. Возможно, аппарат попал в руки военно-морских специалистов США, которые придают покорению морских глубин очень большое значение и отнюдь не познавательное. На такую догадку наталкивается высказывание начальника лаборатории медицинских исследований американских ВМС Джорджа Бонда.

Специалисты считают, что человек с искусственными жабрами приобретает фантастические возможности — сможет нырять как кашалот на глубину 3500 метров. Сравнение с кашалотом здесь не случайно. Все дело оказалось в анатомических особенностях кашалота, позволяющих ему избежать декомпрессионной болезни. Но оказалось и другое: не требуется сколько-нибудь серьезно менять строение человеческого организма для жизни под водой. Итак, первый путь для обживания подводного мира — это создание аппарата, позволяющего человеку дышать кислородом, извлеченным из воды.

Иначе пытается решить эту проблему доктор Иоганес Килстра из Лейденского университета в Нидерландах. Он рассуждает так. Жизнь началась в водной среде. И первые обитатели Земли дышали жабрами, извлекающими кислород из воды. Затем они вышли на сушу и сначала могли жить и здесь и там, получая кислород и из воздуха, и из воды. И жабры постепенно трансформировались в легкие, работающие только в воздухе. Но и в жабрах и в легких происходят одни и те же процессы — извлечения кислорода из окружающей среды и насыщения им крови. Так нельзя ли вернуть легким утраченную способность извлекать живительный газ из жидкости?

Казалось бы, идея бредовая. Печальный опыт человечества при кораблекрушениях и неосторожных купаниях, кажется, полностью опровергает возможность дышать водой. Но вот сенсация! В 1959 году Килстра демонстрирует эксперимент, взбудораживший средства массовой информации. На столе в банке с жидкостью сидит мышь. Проходит несколько часов, а мышь все живет и, естественно, дышит. Она глотает жидкость, как воздух, но жабр у нее нет — дышит легкими. Секрет прост. В банке была не вода, а физиологический раствор солей, насыщенных кислородом под давлением три атмосферы.

Эксперимент показал, что легкие могут дышать жидкостью. Остальное, как говорится, дело техники, и не столь уж сложной. Во всяком случае, чтобы обеспечить человеку жизнь в водной среде, особых перестроек в организме не требуется. Оказывается, что главная проблема здесь не недостаток кислорода в воде, а неполное удаление из организма углекислого газа. Чтобы вывести весь выделяющийся углекислый газ, необходимо «вдыхать» жидкости вдвое больше, чем воздуха. А поскольку вязкость воды в 30 раз больше, чем воздуха, то затраты энергии на дыхание возрастают в 60 раз. Вот почему в ходе эксперимента мыши погибли не от удушья, а от истощения. Одна мышь в банке прожила четыре часа, а другая — 18 часов.

После мышей Килстра взялся за собак. В жидкость он их не погружал, а помещал в барокамеру с повышенным давлением и заставлял дышать через специальное приспособление физиологическим раствором, насыщенным кислородом. Фактически эксперимент остался тем же — в легкие поступала жидкость. В организмах собак не было обнаружено никаких патологических изменений. Более того, спустя 44 дня одна собака родила девять здоровых щенят.

Проведенный эксперимент дал важные научные результаты. Он выявил все трудности перевода легких на дыхание жидкостью. Было установлено, что кислород дифундирует в жидкости в шесть раз медленнее, чем в воздухе. А значит, далеко не весь он поступает из альвеол в кровь. Соответственно и углекислый газ, скапливаясь на периферии альвеол, требует больших усилий для выведения из организма. Но Килстра, считая, что все эти трудности устранимы, решился провести эксперимент на человеке. Благо, желающие шагнуть в неизвестность нашлись. Им оказался Френсис Фалейчик.

Нельзя не восхищаться мужеством этого человека. Фалейчику разрезали горло, вставили в трахею эластичную трубку и через нее вливали в оба легкие физиологический раствор. Четыре часа длилась эта процедура, и все это время испытываемый был совершенно спокоен. Говорить он, естественно, не мог, но показывал знаками, что все в порядке. Более того, сам записывал свои ощущения. А когда снова начал дышать воздухом, сказал, что не чувствовал никаких неудобств или неприятностей.

Следующим этапом эксперимента, заявил Килстра, будет полное погружение человека в жидкость. А затем — создание автономного снаряда, оснащенного баллонами со сжатым дыхательным раствором. Человек в нем сможет опускаться на несколько тысяч метров и подниматься на поверхность без прохождения декомпрессии. Далее изобретатель заявил, что проводит свои эксперименты, чтобы обеспечить эффективное спасение моряков с затонувших подводных лодок и для широкого спектра водолазных работ.

После первых экспериментов с Фалейчиком наступило затишье. Есть предположение, что «благими намерениями» заинтересовались определенные структуры военно-морского ведомства США. Поэтому сейчас неизвестно, как далеко продвинулись эти работы. Однако есть надежда, что положение дел может и должно измениться. История науки показала, что все крупнейшие свершения, рождающиеся в военных лабораториях, в конце концов начинают служить мирным целям для всего человечества. Так, надеемся, будет и с обживанием человеком морских глубин.

Однако на этом направлении научного поиска существуют серьезные сомнения и разные толки. И энтузиаст Кусто, и другие исследователи, ратующие за создание «гомо акватикус», исходят не только из научного интереса. Подводные глубины привлекают их не только несметными богатствами Мирового океана, хотя они и отводят этим сокровищам определенную роль в будущей судьбе человечества. В первую очередь их беспокоит сама проблема выживания землян.

Демографический взрыв на планете, катастрофическое ухудшение экологической обстановки, истощение ресурсов, в первую очередь пищевых, а также энергетических полезных ископаемых, заставляет строить прогнозы насчет перспектив человечества. По мнению многих ученых, приближается время, когда для предотвращения вымирания людей они вынуждены будут расширить сферу своего обитания. В каком направлении? Великий Циолковский, первым затронувший эту проблему, указал путь в Космос — освоение всего околосолнечного пространства, а со временем и далее, в другие миры. А Кусто и его единомышленники настойчиво рекомендуют и Мировой океан.

Какой путь легче осуществить? Возможно, второй. Искусственные жабры супругов Бонвентура или некая хирургическая операция, позволяющая человеку дышать водой по методу Килстра, — и вот уже на океанском дне возникают поселения, обитатели которых не только обеспечивают себя всем необходимым, но и передают на поверхность добытые из морских глубин материалы, химические вещества, продукты в обмен на нужные им товары. Возникает идиллическое содружество людей на поверхности и людей на морском или океанском дне.

На Земле все физиологические процессы протекают с непременным участием солнечного тепла и радиации. Используя для дыхания кислород, человек вдыхает его не в чистом виде, а в смеси с другими газами, большую часть которых составляет нейтральный азот. На дне же человек будет вдыхать чистый кислород — сильнейший окислитель. Следовательно, все процессы в организме человека значительно ускорятся. Отсутствие солнечных лучей и сильнейшие окислительные процессы резко изменят физиологию человека. И с течением времени он превратится в другой вид, даже внешне не будет походить на своего наземного сородича. А главное, изменится его психология. Условия подводной жизни неминуемо превратят его в существо с другим пониманием мира, другими жизненными ценностями. Люди на поверхности и люди в глубине станут чужими друг другу. Безусловно, такое произойдет не сразу, а через сотни и тысячи лет. Но ведь за это время и ресурсы Земли, и ресурсы океана истощатся. И может получиться, что двум расам окажется тесно на одной планете. Нетрудно догадаться, чем это может кончиться.

Это заставляет ученых и всех землян призадуматься, проанализировать, переосмыслить и направить свои усилия на выбор оптимальных решений в своей практической деятельности. Не отвергая полностью энтузиазм ученых о морских поселениях и ученых о космических расселениях, видимо, придется выбрать «золотую середину». Не в океане, не в космосе, а на земле место человека. И поэтому он должен беречь свою маленькую планету, беречь родную природу, дающую нам жизнь. А в океан и космос «заглядывать» время от времени. Но не надолго и обязательно возвращаться обратно в свой отчий дом.

УЛЬТРАЗВУК И МЕДИЦИНА

Благородной цели — охране здоровья человека — подчинены в нашей стране достижения медицинской науки. В борьбе за жизнь человека, его здоровье врачи все чаще обращаются к новым методам диагностики и лечения, основанным на использовании кибернетики, электроники и ультразвука. Каждый новый этап в развитии физики и техники обогащает медицину новыми аппаратами и приборами, позволяющими ввести в практику новые методы диагностики и лечения. А за последние примерно четверть века одно из центральных мест в исследованиях для нужд медицины отводится ультразвуку. Казалось бы, какое отношение имеет ультразвук к медицине? Ведь мы только что говорили, что на человеческий организм ультразвуковые колебания оказывают вредное воздействие. Но, как уже упоминалось, человеческий организм отрицательно реагирует только на ультразвуки большой мощности. Ультразвук же небольшой интенсивности никакого вреда не причиняет, и, как выяснилось, у него обнаружились даже лечебные и диагностические возможности.

Согласно прогнозам специалистов, в ближайшем будущем ультразвук в медицине будет применяться также широко, как рентгеновские лучи. Следовательно, в медицинской диагностике назревает настоящая революция, ибо вряд ли в ней есть такие области, где ультразвук не сыграет свою роль. В настоящее время ультразвук получил широкое применение к кардиологии, хирургии, акушерстве, гинекологии, нейрохирургии, неврологии, офтальмологии, стоматологии, оториноларингологии и в других областях С помощью ультразвука врач может обнаружить заболевания мозга, печени, легких, глаз, мочеполовых органов.

Наиболее ценно то, что ультразвук располагает огромными диагностическими возможностями, включая диагностику сердечно-сосудистых заболеваний. С помощью ультразвука можно проверить работу сердца и выявить ненормальности функционирования не только самого сердца, но и отдельных его участков. С этой целью применяют узконаправленные ультразвуковые лучи, позволяющие получать ультразвуковую кардиограмму. Как только ультразвуковой луч, посланный датчиком эхо-кардиографа, достигнет створки митрального клапана и в ту же секунду воспринимающее устройство датчика уловит эхо, отраженное створкой, на экране осциллографа возникнет изображение движения створки митрального клапана, смещая датчик, врач внимательно «осматривает» ультразвуковым лучом левое предсердие, аортальный клапан, правый и левый желудочки сердца.

Ультразвуковой эхокардиографии доступен практически любой участок сердца. Ультразвуковой луч способен проникать в самые потаенные его уголки. Это и позволяет с успехом использовать его в диагностике заболеваний сердца. Теперь с помощью ультразвука стало возможным точно и быстро диагностировать различные, в том числе и малоизученные, болезни сердца. А это позволяет специалистам выбрать оптимальный вариант лечения больного.

Одно из основных преимуществ ультразвуковой эхокардиографии состоит в том, что ни в момент обследования, ни после него пациент не испытывает никаких болезненных ощущений. Кроме того, обследование ультразвуком совершенно безвредно. Поэтому ультразвуковая диагностика особенно незаменима в тех случаях, если необходимы многократные динамические исследования, например, при проведении функциональных проб, в частности дозированной физической нагрузки, или же при оценке действия лекарственных препаратов на функцию сердца. Сравнительно недавно в практике клиницистов, помимо эхокардиографов, появились В-сканеры и секторальные сканеры, еще больше расширяющие возможности применения ультразвука в исследовательской диагностике.

Долгое время рентген был единственным и незаменимым средством обнаружения опухолей. Однако рентгеновские лучи выявляют опухоль, когда плотность пораженной ткани отличается от плотности здоровой в полтора-два раза, а это означает, что зачастую уже поздно предпринимать эффективное лечение. После многочисленных опытов ученые предложили для диагностики опухолей использовать ультразвук. Первое время пытались применять теневой метод, но получалась очень высокая контрастность, что не давало возможности отличать одну ткань от другой по физическим свойствам. Поэтому от этого метода отказались. Более приемлемым оказался импульсный метод, основанный, как и в дефектоскопии, на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред. Этот метод позволяет получить на экране электронно-лучевой трубки прибора видимое изображение, на котором можно отличить ткани, близкие по своим физическим свойствам. Ультразвуковой импульс больной и здоровой тканью отражается по-разному. Отраженные импульсы поступают на экран прибора, где виден своеобразный разрез того или иного участка человеческого тела.

Ультразвуковая эхограмма помогает обнаружить расположение кисты, поставить диагноз целого ряда заболеваний глаза, таких, как катаракта, помутнение роговицы, отслоение сетчатки, кровоизлияния в стекловидное тело, получить рельефные изображения желудочков мозга и других органов. Ультразвуковая диагностика не противопоказана для обследования маленьких детей и тяжелобольных.

В акушерстве среди многих исследований ультразвук занимает ведущее место. Через три недели беременности он фиксирует работу сердца плода и даже определяет двойню. Самый опытный акушер нуждается в диагностическом аппарате, позволяющем своевременно установить причины, осложняющие течение беременности и родов. Такой аппарат появился — это ультразвуковой диагностический аппарат, работающий на принципе эхографии. Ультразвуковые колебания в пределах, необходимых для диагностики, не оказывают никакого отрицательного влияния на состояние эмбриона и плода в любом периоде его развития, на деятельность половых желез матери. С помощью ультразвука исследуют положение плода, а также состояние костных и мягких тканей.

Звуковой детектор пульса наблюдает за сердечной деятельностью в ранних стадиях жизни плода, а также контролирует пульс плода непосредственно перед родами. Более того, в акушерстве и гинекологии ультразвуковое изображение брюшной полости дает возможность обнаружить миому матки, опухоли яичников, брюшную водянку.

В лаборатории электроники Института нормальной и патологической физиологии Академии медицинских наук применили ультразвук для исследования кровотока. С помощью ультразвукового прибора экспериментатор может получить сведения о значениях линейной и объемной скоростей, а также о направлении тока крови. Специальный датчик позволяет делать измерения через стенку сосуда, не нарушая его целости.

Вторая важная область применения ультразвука в медицине — лечение. Лечебное действие ультразвука складывается из трех факторов: теплового, механического и физико-химического.

Первый фактор (тепловой) — это глубокое и равномерное прогревание тканей той энергией, которую несет с собой ультразвуковое излучение, и соответственно в результате поглощения тканями этой энергии. При втором факторе (механическом) ткани подвергаются, по сути дела, микромассажу. При этом смещение частиц ткани невелико, скорость их движения также небольшая. Ну а при третьем факторе (физико-химическом) происходят изменения хода окислительно-восстановительных процессов, ускоряется расщепление сложных белковых комплексов до обычных органических молекул, активизируются ферменты. Благотворное воздействие ультразвука на обмен веществ тоже, по-видимому, объясняется его химическим воздействием.

Ультразвуковая физиотерапия оказывает обезболивающее, противовоспалительное и тонизирующее действие. Ультразвуковой микромассаж снимает боль, стимулирует деятельность нервной и эндокринной систем, улучшает функциональное состояние соединительной ткани и усиливает защитные реакции организма. Замечено значительное улучшение функционирования суставов и мышц. Лечение ультразвуком способствует понижению кровяного давления у людей, страдающих гипертонической болезнью. Ультразвук стал надежным помощником врача в лечении многих болезней, в частности артрозов, артритов, невралгий, невритов, радикулитов.

В последнее время широкое распространение получил ультрафонофорез — одновременное воздействие на организм ультразвуком и лекарственными препаратами. На определенный участок тела наносят лекарственное вещество, а затем, как говорят специалисты, «озвучивают» это место. Ультразвуковые колебания увеличивают проницаемость кожи для частиц лекарственного вещества: они легко проникают в кожу и накапливаются там, образуя «кожное депо». Потом постепенно лекарство поступает в кровь и лимфу, доставляется к органам и тканям. Лекарства, вводимые таким способом, дольше задерживаются в организме, оказывая терапевтическое действие. Помимо того, что ультразвук облегчает лекарству путь в организм, он еще как бы массирует клетки и другие тканевые элементы. Под влиянием этого своеобразного микромассажа повышается активность ферментов, активизируются процессы внутриклеточного обмена веществ, улучшается лимфо- и кровообращение.

Под действием ультразвука биологические ткани то сжимаются, то растягиваются.

При переходе из одного состояния в другое частицы тканей испытывают гигантские, превосходящие в несколько сот тысяч раз земные ускорения. Если бы, например, человек оказался в поле таких ускорений, он весил бы столько же, сколько и современный океанский лайнер. Такая физическая нагрузка сопровождается биологическими «откликами» организма. Улучшается кровоснабжение тканей, ускоряются обменные процессы и увеличивается проницаемость сосудистых и тканевых мембран. Все это способствует более эффективному проникновению и повышению концентрации лекарственных средств, усилению их местного лечебного воздействия.

Ультразвук находит все большее применение в физиотерапии, но пользоваться им нужно осторожно. Очень важно правильно выбирать дозировку, режим работы ультразвуковых приборов и частоту. Доза, как правило, определяется продолжительностью воздействия ультразвука средней интенсивности. Частоту ультразвуковых колебаний выбирают с таким расчетом, чтобы поглощение было минимальным. Это позволяет лучше воздействовать на внутренние органы.

Ученые Института мозга Академии медицинских наук совместно с Акустическим институтом Академии наук создали универсальный зонд-излучатель для бескровных нейрохирургических операций. Сфокусированные ультразвуковые колебания зонда-излучателя беспрепятственно проникают сквозь живую ткань и нужную точку мозга. Размеры этой точки могут составлять доли миллиметра.

В обычной хирургии ультразвук тоже стал завоевывать признание. Еще в своде законов царя Хаммурапи перечислены различные хирургические операции, при которых ткани больного рассекались бронзовым ножом. Во времена Гиппократа в Греции уже начали применять хирургические ножи с впаянным стальным лезвием. С тех пор хирургический инструмент непрерывно совершенствовался, но за последние сто-двести лет он изменился мало. В основном все те же стальной нож и нитки. Теперь хирурги получили такие наисовременнейшие «скальпели», как лазерный и ультразвуковой лучи, главное достоинство которых — универсальность.

В настоящее время имеется четыре способа нарушения довольно прочного кожного покрова: обычное механическое разрезание тканей скальпелем; лазерное, выжигающее остро, как нож, и одновременно стерилизующее; электролитное и ультразвуковое, менее болезненное. Ультразвуковой «скальпель» режет ткань на границах контакта клеточных мембран.

Используя ультразвуковой инструмент, можно и рассекать, и соединять почти все живые ткани. Так, ультразвук уже применяется при трепанациях черепа и других костей. Проводятся опыты по ультразвуковой сварке внутренних органов в местах повреждения сердца, легких, печени, селезенки, мочевого пузыря.

Содружество врачей и инженеров привело к появлению еще одного новшества: ультразвуковые инструменты наделили чувствительностью. По цвету больная ткань может не отличаться от здоровой, и хирург всегда рискует захватить лишнее или оставить пораженные клетки. Однако патологическая больная ткань отличается от нормальной по плотности. Это и использовали ученые. Они снабдили скальпель специальным акустическим узлом с блоком регистрации давления. Он звуковым сигналом предупреждает хирурга, если тот прилагает усилие, большее или меньшее, чем требуется в данном случае. Поэтому ультразвуковой инструмент мягко расслаивает ткани, отодвигая сосуды, нервы и здоровые ткани, и как бы вылущивает опухоль вместе с капсулой.

Для того чтобы исправить различные врожденные и приобретенные деформации костей, специалистам нередко приходится прибегать к остеотомии — операции по рассечению кости. Сейчас все чаще в таких случаях хирург берет в руки не долото и пилу — традиционные инструменты, а ультразвуковой волновод. Ультразвук режет кость так же легко, как горячий нож масло. И это очень важно — применение его полностью исключает образование костных сколов, мелких отломов. Разрез, произведенный ультразвуком, получается ровным и гладким.

С помощью ультразвука можно не только легко и быстро разрезать кость, но и вновь соединить ее. На опаленные поверхности наносится специальный клей-циакрин и костная щебенка. Затем костные отломки соединяют, и под действием ультразвука специфический «припой» отвердевает, удерживая отломки кости в нужном положении. Прочный и надежный сварной шов постепенно рассасывается, заменяясь живой костной тканью. Ультразвук применяют и тогда, когда послойной наплавкой надо заполнить дефект в кости, сварить отломки кости при многоскольчатых переломах или «наварить» новую суставную головку.

Ультразвук применили и в зубоврачебной практике. Им обрабатывают полости зубов и удаляют зубной камень. Ультразвуковая обработка зуба совершенно безболезненна, не вызывает неприятных ощущений. Однако у ультразвуковой бормашины есть недостаток — врач не может по реакции больного определить момент подхода инструмента к нему. Хорошие результаты получены при использовании ультразвука для сварки и пломбирования зубов. При любых современных методах лечения зубов между пломбировочным материалов и обработанными стенками зубных полостей остается щель, и хотя она очень мала, она часто становится причиной возобновления кариесного процесса, расшатывания и выпадения пломбы. Ультразвуковая пломбировка исключает этот недостаток.

При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, а также для профилактики некоторых заболеваний применяют аэрозоли различных лекарственных веществ, т. е. веществ в распыленном виде. Такой вид физиотерапии называется ингаляцией. Здесь ультразвук участвует в лечении косвенно. С его помощью распыляют лекарственные вещества, особенно такие, как антибиотики, которые затем вдыхают больные.

Ультразвук незаменим в фармацевтической промышленности в процессах приготовления различных медицинских препаратов. Если раньше для получения настоек валерианы и полыни требовалось семь суток, то теперь благодаря ультразвуку эта операция выполняется всего за полтора часа. Значительно ускоряется приготовление настоек йода и других препаратов, сокращается расход сырья. С помощью ультразвука удается увеличить выход активных начал из различных лекарственных растений, таких, как мак, ландыш, красавка, спорынья и др. Ультразвук позволяет получить тонкую взвесь камфорного масла в воде, что раньше вообще было невозможно. Под воздействием ультразвуковых колебаний возникают новые эффекты — 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.

Чрезвычайно модными в последние годы стали экстрасенсы. И это не случайно. В тяжелые для страны времена люди начинают верить во что-то необычное, сверхъестественное, особенно если это касается их здоровья. Отсюда и повышенный интерес к экстрасенсам, популярность которых все возрастает. С точки зрения специалистов, имеется в виду способность отдельных людей на расстоянии рукой определять нарушения здоровья и даже оказывать лечебное воздействие. Первое время ученые объясняли это явление неизвестным пока науке действием биополя, регистрируемого приборами. Такое объяснение, естественно, у физиков вызвало скептическое отношение, они решили в этом разобраться, т. е. подтвердить феноменальное явление или опровергнуть.

Исследователи изучали, конечно же, никакие ни биополя, которыми пытались объяснить феномен, а обычные, известные каждому электрическое и магнитное поля, а также излучения — инфракрасное, радио-тепловое, оптическое, акустическое. Все они дают, как оказалось, ценную и малоизвестную информацию о человеке. В зеркале этих полей можно увидеть, образно говоря, не отдельные фотографии, а целые кинофильмы, показывающие жизнедеятельность человека.

Используя приборы с очень высокой точностью измерений, на экране термовизора можно увидеть, например, пульсирующие у рта и носа «облака» выдыхаемого углекислого газа, видно лицо, открытые части тела, руки светятся, причем окраска изображения постоянно меняется, отражая динамику терморегуляции дыхания, кровенаполнения, По руке экстрасенса, обладающей большей мощностью, можно лучше судить о характере происходящих в человеке процессов. Скажем, при переходе в «рабочий режим» видно, как рука нагрелась, увеличилось обычно слабое свечение, появились низкочастотные колебания электрического потенциала. Как эти сигналы действуют на испытуемого, на пациента? Вероятно, происходит своеобразный бесконтактный массаж тела тепловым излучением движущейся разогретой руки экстрасенса. При этом оказалось, что сильнее нагреваются те области, где нарушена терморегуляция, т. е. участки кожи (тела), соответствующие больным местам.

Исследования ученых в последние годы не только подтвердили положительное воздействие звуковых колебаний на человеческий организм, но и позволили сделать вывод о том, что возможности этого метода лечения еще не исчерпаны. Кожа и наружный покров человека являются посредниками между внешней и внутренней средой. Они принимают любые виды излучения и потоков (звуковых, тепловых, биологических), которые совершают в организме определенную работу. Ученые, например, после исследований пришли к выводу, что больному человеку помогает даже бубен шамана. Это объясняется воздействием звуковых волн на разные органы, а определенные музыкальные мелодии могут оказывать действие даже на нейроны и мозговые клетки.

Как уже упоминалось, звуки могут оказывать на живые организмы необычное воздействие. В 1989 году русский исследователь И. Догель опубликовал научный труд «Влияние музыки и цветов спектра на нервную систему человека и животных». Он убедительно показал, что у человека, как, впрочем, и у собак, кошек, кроликов, под воздействием музыки изменяются кровяное давление, частота сердечных сокращений, ритм и глубина дыхания. Даже растения не остаются «равнодушными» к воздействию звуков. При мажорных мелодиях мимоза и петуния растут гораздо быстрее, даже зацветают на две недели раньше положенного.

Древнейший целитель Асклепий успешно применял музыку и пение. Мастера специальной японской системы киайдзю-цу используют во время борьбы «боевые крики», при этом применяется «воскрешающий» крик, восстанавливающий сердечную деятельность и дыхание, и «умертвляющий» — способный убить мелких животных и парализовать человека.

Звуки могут по-разному воздействовать на разных людей. Например, скрип железа по стеклу у многих вызывает непроизвольное сокращение мышц, а на кого-то вовсе не действует. Зато для них непереносим звук рвущейся бумаги. При таких воздействиях огромную роль играет сочетание звуков, их гармоничность, ритм. В Японии провели такой эксперимент: из 120 матерей, кормящих грудью детей, одни слушали классическую музыку, другие — джаз и поп-музыку. В первой группе количество молока у женщин увеличилось на 20— 100 %, а во второй группе уменьшилось почти вдвое.

Мы привели только несколько примеров практического применения ультразвука. Рассматривать же все области, где он уже нашел прочное место, не представляется возможным. На страницах «Знака вопроса» рассказано лишь о таких областях применения ультразвука, которые понятны и интересны читателю-неспециалисту. Очень многие «профессии» ультразвука настолько сложны и уникальны, что рассказать о них в научно-популярном издании невозможно. Поэтому в заключение очерка мы только перечислим новые, перспективные области применения ультразвука в науке и технике.

УЛЬТРАЗВУК — ТРУЖЕНИК

Не каждый металл металлом возьмешь. Поэтому туда, где пасуют резцы, сверла и шлифовальные круги, пришли «научные инструменты» — луч лазера, электрическая искра, ультразвук. Если железо, чугун, сталь можно обрабатывать на токарных, фрезерных, строгальных и других станках, твердые и сверхтвердые сплавы — на электроэрозионных и импульсных станках, то для некоторых сверхтвердых и хрупких материалов, в частности электронепроводяших, эти способы обработки непригодны. Особенно трудно высверливать в таких материалах отверстия со сложной конфигурацией.

На мысль о возможности ультразвуковой механической обработки сверхтвердых и хрупких материалов натолкнул один из опытов по измельчению абразива. На дне стеклянной банки исследователи заметили углубление. Стали выяснять причину, и оказалось, что оно возникло из-за того, что стержень, которым измельчали абразив, колебался с ультразвуковой частотой.

Стало быть, если под инструмент ультразвукового станка ввести абразивный материал и включить станок, то частицы абразива обрушат на обрабатываемую деталь град ударов. Они начнут долбить деталь, а инструмент станет все больше и больше углубляться в нее. Образно говоря, станок будет действовать по классической схеме: молоток — зубило — металл с той лишь разницей, что станок работает гораздо быстрее, чем рука человека, и роль зубила выполняют крупинки абразива.

Способ ультразвуковой обработки материалов впервые был предложен в 1945 г. Его преимущество состоит в том, что, применяя инструменты различной формы, можно делать не только отверстия, но и сложные вырезы. Ультразвуковой способ позволяет вырезать оси, нарезать резьбу, изготовлять матрицы, шлифовать, штамповать, клеймить, гравировать и сверлить даже алмазы.

Алмаз — самое твердое естественное вещество земли, и сделать в алмазе калиброванное отверстие — целая проблема. Твердость его в 150 раз выше твердости корунда и в 1000 раз выше твердости кварца. Следовательно, при одинаковых условиях один миллиграмм вещества с алмаза сошлифовывается в 1000 раз медленнее, чем с кварца. Не зря греки алмаз называли «адамас», что означает «несокрушимый», и в переводе с латинского алмаз — «непреодолимый».

Сказочно красив алмаз. С давних пор он украшал короны и скипетры царей. Ювелиры оценивают обработанный алмаз — бриллиант — по игре граней, цвету, массе. Но времена, когда алмаз представлял собой только ювелирную ценность, давно прошли. Настало время, когда человек заставил драгоценный камень работать.

Как же сделать в алмазе отверстие? Первое время это делали так: брали алмазную пудру и, используя ее в качестве абразива, механически сверлили отверстия. Подобная операция тянулась долго и обходилась слишком дорого. Теперь эта проблема решается иначе. Алмаз, как и любой другой сверхтвердый материал, сравнительно легко обрабатывается на ультразвуковом станке. Для этого кристалл алмаза в специальном приспособлении помешают на станине станка. Инструмент укрепляется примерно так, как сверло на сверлильном станке. Да и вращается он как сверло. Затем включают станок, подводят инструмент к алмазной заготовке и при определенном усилии опускают его в направлении обработки отверстия, инструмент начинает колебаться с ультразвуковой частотой.

К числу трудно обрабатываемых относятся также жаропрочные, магнитные, коррозионностойкие стали и твердые сплавы, полупроводниковые материалы, радиокерамика, рубин, керсил, люкор, термосил, ситаллы, ферриты и другие материалы. Они обладают химической и термической стойкостью, огнеупорностью, структурной и оптической однородностью и другими ценными свойствами, которые обусловили изготовление из них ряда изделий в различных отраслях техники. Широкое применение перечисленных материалов ограничено из-за низкой их обрабатываемости механическим способом, вызванной высокой твердостью и повышенной хрупкостью. Обработка этих материалов металлорежущими инструментами малопроизводительна и часто приводит к возникновению сколов, трещин, а также к образованию больших внутренних напряжений в поверхностном слое.

Первые ультразвуковые станки появились в 1953 г. Их наиболее ответственным элементом является акустическая головка, состоящая из трех основных частей: электромеханического преобразователя, концентратора и рабочего инструмента. Правильный расчет всех узлов акустической головки определяют в значительной степени точность и производительность станка.

Ультразвуковые станки не сразу заняли в промышленности подобающее место. Мешало этому то, что они поначалу не давали нужной точности. Кроме того, по мере углубления инструмента в материал резко падала производительность. Выдвигалось много различных гипотез для объяснения этого явления, но ни одна из них не была подтверждена опытом.

Исследователи акустического материала решили посмотреть — именно посмотреть, своими глазами увидеть, что же все-таки происходит на самом деле при ультразвуковом резании? Методом высокоскоростной киносъемки (20–50 тыс. кадров в секунду) они сняли весь процесс ультразвуковой обработки стекла. На кинопленке было получено теневое изображение большой контрастности.

Анализ кинопленки показал, что стекло разрушается лишь тогда, когда инструмент наносит прямой удар по частице абразива, лежащей на обрабатываемой поверхности. Казалось бы, чего проще: нужно увеличить силу прижима инструмента к детали, и производительность станка повысится. Об этом же говорили и расчеты, показывавшие, что производительность пропорциональна силе, с которой инструмент прижимают к детали. Чем больше сила, тем больше производительность. Однако на практике все выглядело иначе. Чем больше увеличивали силу прйжима, тем медленнее росла производительность. Словно ее сдерживало что-то. Эксперименты продолжались снова и снова. И наконец, победа! Оказывается, просто-напросто надо быстрее обновлять абразивную суспензию, так как при увеличении силы при нажиме абразивные частички притуплялись и даже вовсе крошились, теряя свои свойства. Было принято решение — нагнетать суспензию в рабочий зазор. Производительность резания повысилась в четыре раза.

В древние времена очищение помещений или поверхностей предметов от грязи было непомерно трудной задачей, и недаром считалось, что разгневанные боги ниспосылали ее как испытание. Геркулесу была поручена очистка авгиевых конюшен. Полубог не рискнул положиться на силу своих мышц, а прибегнул к хитрости. Он решил задачу по-другому, оригинально, отведя через конюшню русло ближайшей реки, дав тем самым первую идею гидромеханизации.

В наше время придумано множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. С помощью химии стараются повысить активность очистительных растворов, изменяя их состав, добавляя в них кислоты, щелочки, эмульсии, абразивы. С их помощью физики ищут новых путей, новых видов движения жидкости. Так, для очистки поверхности деталей и узлов от жировых и механических загрязнений наиболее перспективным направлением оказалось использование ультразвука. Ультразвуковая очистка либо заменяет, либо дополняет традиционные очистные способы и методы — от ручных операций с применением различных растворов до струйных моечных автоматов.

Одним из основных преимуществ ультразвуковой очистки перед другими способами является ее высокое качество. Кроме того, стало гораздо легче очищать детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, узкие щели, маленькие отверстия и полости. Ультразвуковая очистка высокопроизводительна и допускает замену огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей водными растворами щелочных солей и другими менее опасными и более дешевыми веществами.

Чем объяснить высокую эффективность ультразвуковой очистки? Ответ на этот вопрос связан с очень интересным физическим явлением, называемым кавитацией (латинское cavitas — пустота). Теоретически о существовании этого явления знали с тех пор, как петербургский академик Леонард Эйлер обосновал возможность образования в жидкости разрывов (пустот) вследствие локального понижения давления с последующим захлопыванием возникших полостей. Эйлер предсказал кавитацию, ни разу не наблюдая ее.

Практически с кавитацией столкнулись много позже, в прошлом веке, когда на кораблях вместо боковых гребных колес появились винты, вращающиеся с большой скоростью. Капитаны стали замечать, что скорость их судов с течением времени постепенно падает без видимых на то причин. Но причина была и достаточно видимая. Когда осмотрели винт одного из кораблей, поставленных в док на ремонт, увидели, что его лопасти похожи на лепестки, изъеденные гусеницами. Этим явлением, естественно, заинтересовались и стали его изучать. Судостроителей, а также создателей гидротурбин беспокоила, прежде всего, одна мысль: как бороться с этим грозным и неумолимым врагом, как уберечь лопасти винтов и турбин от разрушающего воздействия облака кавитационных пузырьков, которые, как было установлено, образуется на границе жидкость — твердое тело при определенных условиях в определенном режиме работы.

Нас кавитация в данном случае интересует с другой стороны — не как враг, а как друг. Этот парадокс возник сравнительно недавно — с того времени, когда стали изучать ультразвук и разрабатывать технологию ультразвуковой очистки.

Явление кавитации возникает не только при вращении винтов. Кавитационные пузырьки появляются, если в жидкость излучать ультразвуковые колебания. Кавитацию, возникающую под воздействием ультразвуковых колебаний, иногда называют ультразвуковой кавитацией. Ультразвуковые колебания образуют в жидкости чередующиеся в соответствии с частотой области высоких и низких давлений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость как бы разрывается, порождая многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров, находящиеся до этого в жидкости в растворенном состоянии. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки «захлопываются». Возникают ударные волны с очень большим мгновенным давлением. Вот эти бесчисленные микровзрывы кавитационных пузырьков и снимают с поверхности обрабатываемой детали грязь, жиры, окалину и нередко даже ржавчину.

Ультразвук очищает самые разнообразные металлические, стеклянные, керамические и другие детали. Так, например, кольца подшипников легко очищаются от полировочной пасты, печатные платы — от флюса, детали и прокат жести — от термической окалины, оптические детали и драгоценные камни — от флюса, детали и прокат жести — от термической окалины, оптические детали и драгоценные камни — от полировочных веществ, мелкие детали — от заусениц, медицинский инструмент, стеклянная тара — от жировых и других различных загрязнений.

Прекрасные статуи Венеции изъедены «черной оспой» — так называют жители этого города страшные следы, которые оставляют на мраморе дым и копоть — бич большого современного города. Главный хранитель венецианских памятников, посоветовавшись с учеными и инженерами, организовал работы по очистке мрамора с помощью ультразвука. В отличие от пескоструйного способа ультразвуковой не причиняет никакого вреда мрамору, а скорость и качество очистки высокие. Ученые считают, что ультразвук поможет сохранить уникальные памятники истории.

При частой демонстрации фильмов киноленты изнашиваются, загрязняются и, в конце концов, приходят в негодность. Специалисты научались реставрировать ленты, возвращая им прежнюю «молодость.». Но прежде чем начинать реставрацию, киноленту нужно хорошо промыть, а это не так просто. Недавно некоторые фирмы кинопроката получили совершенные ультразвуковые машины для очистки различных типов кинолент. Они применяются у нас впервые.

Ультразвуковой метод можно применить для стирки тканей, особенно шерсти. Обычно шерсть сильно загрязняется жиром и другими органическими веществами. Мыльные и щелочные растворы ухудшают качество волокна. При ультразвуковой стирке применяются нейтральные растворы, сохраняющие качество волокна. Кроме того, ультразвуковая мойка способствует уничтожению различных микроорганизмов, находящихся в немытой шерсти. Применение ультразвуковых машин особенно эффективно для стирки грубых, сильно загрязненных вещей, когда обычная стирка малопригодна.

Одна из японских фирм разработала ультразвуковую стиральную машину, которую можно использовать как домашнюю ванну. Человеку, сидящему в ней, не нужно делать никаких движений: машина сама вымоет его, притом за очень короткое время. Неизвестно, правда, насколько такая мойка полезна (или не вредна) для здоровья, — реклама об этом умалчивает.

Там же, в Японии, изобретена стиральная машина, которая не требует мыла и других моющих средств. Вода в бачке машины с помощью специального насоса насыщается воздушными пузырьками, они и удаляют с ткани грязь. Использованную один раз воду можно применять вторично, пропустив ее через фильтр. В машине нет отжимной центрифуги, поэтому белье при стирке в ней меньше изнашивается. Судя по всему, процесс стирки в этой машине основан на явлении ультразвуковой кавитации.

Применение ультразвука для стирки тканей становится с каждым годом все популярней. Это связано не только с повышающимся интересом населения к такой стирке, а прежде всего с развитием ультразвуковой техники, доходящей почти что до «чудо техники». Традиционные стиральные машины — это агрегаты, по размерам немного меньшие холодильников и занимающие пол ванной комнаты.

Теперь, чтобы ультразвуковые колебания бесшумно проникали между волокнами, достаточно опустить маленький пластмассовый диск в емкость с замоченным бельем, куда предварительно добавить 1–2 грамма порошка на литр воды. Далее остается только подключить устройство к сети, и вы свободны. Через полчаса остается лишь прополоскать идеально чистое белье.

Преимущество ультразвуковой стирки еще и в том, что в отличие от обычных стиральных машин белье не рвется и не изнашивается, а следовательно, дольше сохраняется. Заодно белье еще и дезинфицируется, чего не обеспечивает ни одна стиральная машина в мире. Кроме того, выстиранное белье приобретает легкий аромат озоновой (послегрозовой) свежести.

Ультразвук применяют и для других видов очистки, основанных на иных физических принципах действия. Одна из серьезнейших сегодняшних технических проблем — очищение загрязненного воздуха от пыли, дыма, копоти, тумана, окислов металлов и т. д. Мельчайшие частицы этих веществ из заводских и фабричных труб устремляются вверх, а потом разносятся ветром на большие расстояния. Например, по серому налету на листьях деревьев и на окружающих предметах нетрудно догадаться, что в этом районе находится цементный завод, тысячи тонн цемента теряют заводы в виде распыленных мельчайших частиц при обжиге. То же самое происходит и на химических, алебастровых, сажегазовых и других предприятиях.

С давних пор пользуются пылеулавливающими устройствами, действие которых основано на различных принципах. Это пылеосадочные камеры, ротационные пылеулавители, центробежные уловители, электрофильтры и т. д. Однако все эти устройства громки и не всегда достаточно эффективны. Поэтому ученые продолжают искать новые пути ускорения и повышения качества очистки воздуха от газа и загрязнения.

На одном из международных симпозиумов рассматривалась проблема уменьшения загрязненности воздушной среды. Некоторые ученые в своих докладах отмечали перспективность ультразвукового метода очистки воздуха, так как он обладает многими положительными качествами. Он не зависит от температуры и влажности среды. Ультразвуковые устройства просты в эксплуатации и легко поддаются автоматизации.

Для борьбы с загрязнениями изобретено оригинальное приспособление, осаждающее пыль. Действие его основано на способности звуковых и, в частности, ультразвуковых волн влиять на мельчайшие частицы пыли. Поэтому если оборудовать заводские трубы ультразвуковыми сиренами, то они будут воздействовать на твердые частицы дыма, осаждать в определенных местах и препятствовать их распространению.

Сущность ультразвуковой очистки воздуха в том, что пылинки, которые беспорядочно летают в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. В результате они слипаются и увеличиваются в размере. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Укрупненные частицы быстрее оседают, легче улавливаются обычными фильтрами, и стало быть, лучше очищается воздух.

Ультразвуковые методы очистки воздуха от загрязнений внедряются во многие отрасли промышленности и постоянно совершенствуются. Специалисты считают, что необходимо создание многоступенчатых ультразвуковых осадителей пыли, а также мощных, но экономичных источников питания. Дело в том, что у имеющихся сейчас акустических пылеуловителей есть серьезный недостаток — относительно большой расход электроэнергии. Поэтому акустические пылеуловители применяют пока в основном для улавливания очень ценной и тонкой пыли, например, на свинцовых и бронзоплавильных заводах.

Явление коагуляции с успехом может быть использовано в борьбе с туманами, доставляющими немало забот и неприятностей аэродромной службе, летчикам и морякам. Сколько раз туман был виновником аварий и катастроф! Десятилетиями ученые искали эффективные средства для рассеивания тумана. Некоторые из них уже применяются в районах аэродромов. А как быть на море или в океане, где судно может попасть в зону тумана на несколько дней? Опыты показали, что в данном случае может эффективно помочь ультразвуковая сирена, которая в состоянии рассеять туман на расстоянии 300–400 м. Такую сирену, но меньших размеров, можно установить и на автомобиле.

На страницах «Знака вопроса» мы рассказали лишь о таких областях применения ультразвука, которые понятны и интересны читателю-неспециалисту. Очень многие «профессии» ультразвука настолько уникальны, что рассказать о них в научно-популярном издании невозможно.

УЛЬТРАЗВУК В НОВОЙ РОЛИ

Ультразвук имеет уже много «профессий» и продолжает успешно «обучаться» новым. Почти каждый день приносит сообщения о технических ультразвуковых новинках, предназначенных для использования либо в научной лаборатории, либо в специализированной клинике, либо в той или иной отрасли производства. Можно сказать, что родилась новая технология, основанная на широком применении ультразвукового поля. Сейчас ультразвук внедряют даже в таких областях науки и техники, которые на первый взгляд не имеют к нему никакого отношения.

Несколько десятилетий назад начала развиваться как самостоятельный раздел физики твердого тела акустоэлектроника. На первый взгляд это сочетание несовместимо: с одной стороны, распространение звуковых упругих колебаний среды, с другой — электроника, т. е. полупроводники, транзисторы, усилители электрических сигналов. И, тем не менее, между ними есть общее. Термин «акустоэлектроника» точно характеризует область физики твердого тела, где изучается влияние звука (ультразвука) на электрические характеристики твердых тел и обратные явления — влияние свободных электронов на акустические свойства этих тел. Эффектов, где проявляется связь «акустика — электроника», довольно много. Безусловно, самым существенным из них является электронное усиление звука в некоторых полупроводниках при подведении к ним электрического поля.

В нашей стране создан прибор, работающий на основе взаимодействия электронов с ультразвуковой волной. Если пропустить через пьезоэлектрический кристалл в одном направлении ультразвуковые волны и электрический! ток, начнется движение электронов. А как только они преодолеют звуковой барьер, т. е. когда их скорость станет больше скорости звука, произойдет усиление звука током, которое может быть очень большим. Один сантиметр длины пьезокристалла позволяет получить усиление в сотни миллионов раз.

Это явление можно использовать также для усиления высокочастотных радиосигналов. Для этого радиосигнал нужно сначала преобразовать в ультразвуковой, а затем вновь — в радиосигнал. Несмотря на потери мощности при преобразованиях, усиление этим методом превышает возможности усилительных вакуумных ламп.

Ультразвук, как и электромагнитные волны, теперь можно обрабатывать радиотехническими способами — генерировать, усиливать, модулировать, фильтровать и т. д. А это открывает перед ультразвуком большие перспективы в области средств связи. В среде, где не распространяются радиоволны, например под водой, на помощь приходят усилители ультразвука.

В комитете по делам изобретений и открытий было зарегистрировано фундаментальное открытие на стыке двух наук — электроники и акустики: так называемые акустоэлектронные эффекты в проводящей среде. Многие важнейшие свойства вещества обусловлены наличием в нем свободных электронов, способных переносить заряд. Это такие свойства вещества, как электропроводность, магнитные и оптические свойства, теплопроводность и другие свойства, которые лежат в основе действия всех электронных приборов. При этом оказывается, что характеристики таких приборов зависят от того, какие там «работают» электроны, т. е. какими они обладают энергиями, скоростями, как они связаны с окружающими атомами.

Возникает вопрос, как же рассортировать электроны по энергиям. Авторы открытия установили. что «сортировку» электронов можно производить при помощи ультразвука, поскольку ультразвуковое излучение высокой частоты (свыше 10 мГц), проходя через проводящую среду (например, через магнитное поле), увлекает за собой электроны в одних энергетических состояниях гораздо сильнее, чем в других. Стало быть, варьируя частотой ультразвука, можно выделять нужную группу электронов и анализировать ее свойства. По сути дела, открыт совершенно новый класс явлений, где движущей и разделяющей силой для электронов является ультразвук, а не электрическое поле или перепад температур, считавшиеся «двигателем» электронов. Так, например, при наложении магнитного поля в направлении, перпендикулярном направлению распространения звука, в кристалле возникает электродвижущая сила, значение и направление которой дают информацию об электронах в кристалле, а следовательно, и о свойствах кристалла. Авторы назвали этот эффект акустомагнитоэлектрическим.

При проведении экспериментов было получено множество других (побочных) эффектов, предоставляющих возможность для практического применения результатов открытия. В нашей стране и за рубежом акустомагнитоэлектрический эффект уже используется на практике для анализа свойств кристаллов. Применение усиленного ультразвука при исследовании взаимодействия электронов с упругими волнами помогает раскрыть новые, ранее неизвестные свойства веществ. Так, при исследовании сульфида кадмия было обнаружено необычное явление — волнообразный перенос тепла в твердом теле. Его можно представить как волнообразное изменение температуры, распространяющееся вдоль кристалла в направлении движения ультразвуковых волн. Если осветить кристалл сульфида кадмия и одновременно пропустить через него ультразвуковые колебания, то возникающее электрическое поле создает электродвижущую силу вдоль направления распространения волны. Во время эксперимента получен ток напряжением 100 В.

Отсюда появилось еще одно направление. Когда ультразвук проходит через границу двух веществ, одни электроны сменяются другими, например, более энергичные — менее энергичными. При этом на границе выделяется тепло, а сама граница охлаждается. На подобном явлении основан принцип работы холодильных установок. Но в отличие от него охлаждение в данном случае может продолжаться до очень низких температур, близких к абсолютному нулю. Не исключено, что взаимодействие ультразвука с электронами в будущем станет распространенным рабочим эффектом для получения сверхнизких температур и послужит основой для разработки оригинальных методов исследования проводящих средств и создания новых электронных приборов и устройств.

Одним из центров акустоэлектроники стал Институт физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук. Его ученым удалось обнаружить новые, не известные ранее эффекты. Например, возникновение сопутствующих поверхностных колебаний, эффект прохождения упругой волны через вакуумный зазор между двумя пьезоэлектриками и ряд других интересных явлений. Стало возможным создание разнообразных приборов обработки информации линии задержки, полосовые фильтры со сложной и даже электрически перестраиваемой характеристикой, фильтры для фазоманипулированных сигналов, стабилизаторы частоты и многие другие устройства. Все они отличаются очень малыми габаритными размерами и простотой технологии. Исследования института послужили базой для практического использования акустоэлектроники в промышленности и народном хозяйстве страны.

Ультразвук — хранитель времени. Появились часы третьего тысячелетия. Этому способствовало тоже содружество радиоэлектроники и ультразвука. Горный хрусталь когда-то служил часовым стеклышком, прикрывавшим дорогие золотые стрелки, а теперь он выполняет роль маятника — сердца часового механизма. Его можно сравнить с камертоном или задающим генератором, поддерживающим определенную частоту, в данном случае почти два миллиона импульсов в минуту. Чтобы точно отмерить минуту, нужно их безошибочно пересчитать. А как? Сейчас уже созданы быстродействующие электронные счетчики, умещающиеся в крошечном кремниевом кристаллике. Это и есть основа часов — интегральная схема, состоящая из тысячи транзисторов, соединенных в сложные структуры так, что по числу микродеталей они сопоставимы, например, с шестью телевизорами. Эти транзисторы преобразуют ультразвуковые колебания кварцевой пластинки в электрические импульсы, отсчитывающие с ювелирной точностью минуты. Практически точность хода таких часов равна одной минуте в год.

Сенсацией века называется открытие Г. А. Аскарьяном эффекта самофокусировки луча. Световой луч, проходя по воздуху, воде или любому веществу, расширяется и образует расплывчатое пятно, которое тем больше, чем большее расстояние пробежал луч. Проведя многочисленные теоретические исследования и эксперименты, Аскарьян пришел к неожиданному выводу: если луч обладает достаточной энергией, то он перестает расширяться, словно обуздывая самого себя.

Этим явлением заинтересовались отечественные и зарубежные ученые. Физики-теоретики этот замечательный эффект упрощенно объясняют следующим образом. Как известно, световой луч представляет собой электромагнитное поле, которое ориентирует определенным образом атомы (как, например, магнитное поле ориентирует металлические опилки). Луч, воздействуя на атомы среды, расставляет на своем пути бесчисленное множество микроскопических линз. Так луч сам создает волновод, вдоль которого и распространяется. Продолжив исследования, Аскарьян доказал, что самофокусироваться может не только свет, радиоволны, но также ультра- и гиперзвуковые волны, возбуждаемые мощными источниками в плотных средах. Ультразвуковой (гиперзвуковой) луч нагревает среду, частицы ее начинают колебаться ориентированно, упорядоченно. В результате образуется канал с особыми свойствами и вдоль него устремляется звук.

Даже самому смелому воображению не под силу предугадать, какие новые возможности открывают перед нами самофокусирующиеся лучи. Представьте себе ионосферу, которую пронизывают «невидимые лучи», несущие изображение и звук через воздушные и океанские просторы. Невидимые и неслышимые световые и звуковые «игольчатые» лучи как бы высвечивают океанское дно, скрывающее несметные сокровища. Сверхмощные тепловые и ультразвуковые лучи, «обрушившись» на арктический лед, сделают Северный морской путь судоходным в течение всего года.

Ученые нашей страны впервые в мировой практике создали экспериментальную физическую установку, где концентрированная энергия ультразвука может воздействовать на вещество подобно лазерному лучу. Этот «гиперболоид» создает мощный поток энергии с интенсивностью 150 кВт на квадратный сантиметр поверхности, что равно световому давлению узкого луча лазера, работающего в непрерывном режиме. Пластинка плексигласа, помещенная в такое ультразвуковое поле, мгновенно распыляется. С помощью этой установки можно отрабатывать приемы применения ультразвука в промышленных целях, создавать новые образцы ультразвуковых станков, приборов, устройств.

Чтобы исследовать вещество под электронным микроскопом, прежде всего, необходимо сделать тонкий срез или раздробить и измельчить его. До сих пор это делали в обычной ступке. Теперь не нужно растирать в ней исследуемое вещество. Достаточно поместить в специальную ванночку, нажать на кнопку, и ультразвук не только мгновенно раздробит вещество до мельчайших частиц, но и нанесет их на пленку, которую затем просвечивают электронным лучом микроскопа. Ультразвуковой прибор позволяет расширить сферу применения электронного микроскопа в химии полимеров, биологии, резиновой, нефтеперерабатывающей и в других отраслях промышленности.

Возможности ультразвука в исследовательских процессах на этом не ограничиваются. Инженеры в содружестве с биологами и медиками впервые в мировой практике решили «заглянуть» в живую клетку без вскрытия ее оболочки. Аппаратуру для этого создали сотрудники экспериментального предприятия Института основных технических проблем Польской Академии наук. В аппаратуре функции своеобразного скальпеля выполняет ультразвук. При проведении экспериментов соблюдается абсолютная стерильность, строго выдерживаются режимы давления и температуры. Эта сложная проблема решается в тесном содружестве с нашими специалистами.

Использование ультразвука в научных исследованиях продолжает расширяться и по другим направлениям. Так, например, в Северном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации предложили использовать ультразвук для измерения скорости течения воды и определения ее расхода в камерах турбин. Этот принцип исследования, как уже говорилось, нашел широкое применение также в химической и металлургической промышленности.

А если, наоборот, нужно не измерять скорость течения жидкости, а ускорять? Ультразвук и здесь пришел на помощь. Вода, бензин и особенно нефть замедляют свое течение из-за трения о стенки трубопроводов. Это, в свою очередь, значительно снижает КПД насосов. Чтобы ускорить протекание жидкости, нужно либо повысить мощность насосов, либо увеличить диаметр трубопроводов, а может быть, и то и другое одновременно. Но это экономически невыгодно. Уменьшить влияние трения на скорость позволяет своеобразная «растряска» жидкости с помощью ультразвука. Этот метод и лег в основу конструкции необычного насоса, который с помощью ультразвука перекачивает воду и бензин в двадцать раз быстрее.

Ультразвуковое устройство представляет собой пустотелый корпус со штуцерами для подвода и отвода жидкости. В корпус вмонтирован поршень, жестко соединенный с виброштоком, а другим концом — с источником ультразвука. Они-то и возбуждают в жидкости колебания ультразвуковой частоты, которые снижают межмолекулярное сцепление в потоке и трение жидкости о соприкасающуюся поверхность. Такое устройство можно применять для ускоренной заправки самолетов.

Сложнее решается задача ускорения прохождения в трубопроводах нефти. Ей необходимо придать скользящую пульсацию, что позволит передавать колебания на значительные расстояния. Использование ультразвука в этих целях обещает большой экономический эффект: затраты на изготовление ультразвуковых устройств незначительны, уменьшатся капиталовложения на прокладку нефтепроводов, сократятся земляные работы. Внедрение ультразвуковых устройств намного повышает пропускную способность действующих нефтяных трубопроводов. Кроме того, для перекачки жидких сред в заданных объемах может быть уменьшен диаметр трубопроводов пропорционально увеличению скорости. Вибрационные насосы с ультразвуковыми устройствами целесообразно устанавливать примерно через каждые 10 км нефтепроводов. Такие устройства могут применяться в металлургии для ускорения разливки расплавленного металла, а также в химической промышленности.

Еще одна проблема — неполное сгорание топлива. Это серьезный недостаток многих промышленных горелок, приводящий к образованию копоти и загрязнению воздуха газами. Его нет у горелок, в которых горючая смесь приготавливается ультразвуком. Вот как это делается. Воздух с парами топлива перемешивается в специальной камере, которую называют камерой звучания, поскольку именно в ней возникают колебания воздуха ультразвуковой частоты. Причина их появления — узкие щели, сквозь которые проходит воздух. Устойчивость ультразвуковых колебаний поддерживается кольцевой полостью, опоясывающей камеру звучания.

И наоборот, ультразвук способен «усмирять» пламя горелки. Секрет этого эффекта кроется во взаимодействии ультразвуковых волн с низкочастотной вибрацией, возникающей в пламени горелки. Ультразвуковые волны, пронизывая пламя, уничтожают опасную пульсацию. Специалисты считают, что ультразвуковые горелки смогут работать на газе среднего и высокого давления. Сейчас промышленные горелки работают в основном на давлении примерно 0,01 МПа, давление в газопроводах для дальней транспортировки значительно выше. Применение ультразвуковых горелок позволит обойтись без газораспределительных станций. Помимо всего прочего, ультразвук помогает формировать факел. А это значит, что топки станут значительно компактнее.

Имеется еще одна зависимость между горением и ультразвуком. Пламя отражает ультразвуковые волны, являясь как бы зеркалом для ультразвука. Предполагают, что отражение вызывается различной плотностью газов в самом пламени и его газовом окружении. Открытие привлекло внимание пожарных и было использовано в приборе, предназначенном для обнаружения возгорания.

Чаще начали использовать ультразвук в строительстве и на производстве. Так, например, его начали применять для погружения свай и шпунтов. Испытания показали, что ультразвуковым вибропогружателем можно забивать сваи почти в два раза быстрее, чем паровым молотом. При этом установлено, что колебания грунта в районе забивания сваи значительно меньше, чем при использовании других сваезабивочных средств.

Ультразвук в 10 раз повышает производительность изготовления эмалей. Простота конструкции и высокая производительность ультразвуковой установки выгодно отличают ее от обычных устройств. Кроме того, она позволяет получать красители необычайно высокого качества. Ультразвуком можно разжижать лаки, что позволяет сэкономить 50–70 % растворителя. Кроме того, лак после обработки ультразвуком высыхает на поверхности изделий значительно быстрее.

На текстильных предприятиях используют ультразвук для приготовления шлихты. Ультразвуковая установка позволяет приготовить шлихту значительно быстрее и при более низкой температуре, в результате чего сокращается потребление пара, экономится крахмал и химические расщепители. Кроме того, эта шлихта обладает хорошей клейкостью, устойчива в работе и при длительном хранении, улучшает качество основ и снижает обрывность их на ткацких станках.

Ультразвук помогает также работникам бумажного производства. Благоприятное воздействие ультразвуковых колебаний на волокнистую массу дало толчок новому направлению в конструировании размалывающей аппаратуры — созданию ультразвукового центробежно-пульсационного аппарата. Волокнистая рафинерная масса, обработанная в нем, может быть использована в технологическом потоке для выработки бумаги. Внедрение аппарата на целлюлозно-бумажном комбинате дает большой экономический эффект.

Английские полиграфисты использовали ультразвук для очистки бумажных отходов от типографской краски и остатков покрытий из пластмасс, каучука, металлов. После того как крупные куски инородных материалов отсортируются, измельченная бумажная макулатура уносится водой в трубу, где находится ультразвуковой вибратор. Под воздействием ультразвука неволокнистые включения легко отделяются и ослабевают связи между волокнами. В результате образуется волокнистая масса, которая направляется в технологический поток для выработки бумаги.

Ценное предложение по применению ультразвука в полиграфии сделали санкт-петербургские изобретатели. Скорость обычного письма на машинке равна 180–200 знаков в минуту. Машинка, которую создали в Санкт-Петербурге, не имеет клавишей. «Пером» по бумаге водит ультразвук. Чернила «вскипают» под действием высокочастотных колебаний. Чернильное облачко с большой скоростью пролетает через вертящуюся решетку — трафарет, где каждая капелька получает индивидуальный заряд и в зависимости от него ложится строго на предназначенное ей место на бегущей бумажной ленте. Так образуются буквы, цифры, слова. Этим способом можно за одну секунду отпечатать газетную полосу, печатать рисунки на тканях, размножать самые сложные чертежи и карты.

В прошлом веке карандаш считался важным изобретением. В XX в. появилась сначала автоматическая (перьевая), затем шариковая ручка. Сравнительно недавно американская фирма «Ультраюник индустри» создала авторучку, которая «пишет» ультразвуком. В корпусе ручки вместо стержня встроен маленький генератор ультразвуковых колебаний. Пером, как и в обычной шариковой ручке, служит шарик, который под воздействием ультразвука вибрирует, смещая волокна бумаги. При движении ручки на листе появляется «вечная» линия, которая никогда не выцветает. Ее можно уничтожить только вместе с бумагой, на которой она написана. Ультразвуковая ручка пока используется в различных самопишущих устройствах и приборах. Не исключена возможность, что со временем она найдет широкое применение в быту.

Заманчивы результаты исследований по использованию ультразвука в области фотографии. Исходной точкой этих исследований являлись следующие наблюдения. Неэкспонированный фотоматериал, помещенный в воду и подвергнутый облучению ультразвуком, после проявления становился черным. При этом почернение увеличивалось, если «озвучивание» производилось в проявителе. Вероятно, можно будет ускорить проявление экспонированного фотослоя и интенсифицировать процесс его фиксирования.

В Англии с помощью специальной фотоаппаратуры стали наблюдать за процессом прохождения ультразвуковых волн в стальных трубах при их испытании, видеть дефекты и фотографировать их. В такой аппаратуре использован эффект световых полос. Испытуемый материал облучают ультразвуком и одновременно освещают параллельным пучком света, который фокусируют на небольшой непрозрачный диск. Всякие изменения плотности материала из-за звуковой вибрации или воздействия потока воздуха приводят к дифракции некоторого количества лучей света после прохождения его по периферии непрозрачного диска. Лучи, претерпевшие дифракцию, фокусируются на линзу, и в окуляре образуется изображение, которое можно рассматривать или фотографировать. Этот же способ позволяет исследовать воздушные потоки, обтекающие крыло самолета в аэродинамической трубе.

Французская фирма «Поляроид» сконструировала фотоаппарат, в котором обеспечивается автоматическая фокусировка на объект съемки в течение нескольких миллисекунд при любом уровне освещенности. Принцип действия его основан на отражении ультразвуковых колебаний от объекта съемки, т. е. используется тот же принцип, что и для измерения дальности в гидролокационных станциях. В фотоаппарате имеется электростатический датчик, представляющий собой металлическую пластинку с пластмассовой диафрагмой, покрытой тонкой пленкой золота. Этот датчик излучает ультразвуковые импульсы частотой 50–60 кГц. При нажатии на спуск фотоаппарата включается кварцевый синхронизатор, который производит периодический запуск накопителя или счетчика и электростатического датчика. Выключение синхронизатора происходит при. поступлении отраженных импульсов датчика. Отраженные импульсы, воспринимаемые тем же электростатическим датчиком, проходят через частотный фильтр, усиливаются и останавливают счетчик, который вырабатывает соответствующий сигнал управления электродвигателем вращения объекта фотоаппарата. В результате объектив из положения «бесконечность» фокусируется на дальность до объекта съемки, определяемого сигналом счетчика. После этого автоматически измеряется уровень освещенности и производится съемка с необходимым временем выдержки. Весь процесс съемки занимает одну десятую секунды.

А вот ультразвук в роли спидометра, или, точнее, лага. Как известно, спидометр определяет скорость автомобиля, мотоцикла и других наземных транспортных средств, а лаг — скорость кораблей в море. Истинную скорость корабля определить нелегко, так как влияют побочные факторы — течение и ветер, вызывающие снос и дрейф корабля. Ультразвуковой метод помог преодолеть эти факторы. Сущность его заключается в том, что скорость определяется по данным двух эхолотов, преобразователи которых установлены в носовой и кормовой частях корпуса корабля. Запись эхо-сигналов, отраженных от дна и принимаемых двумя звукоприемниками, производится на бумажной ленте. Анализ записи позволяет установить запаздывание во времени сигналов, принятых кормовым эхолотом, относительно сигналов, принятых носовым прибором и отраженных одними и теми же неровностями морского дна. Так как расстояние между двумя эхолотами постоянно известно, то определение скорости корабля не вызывает затруднения.

Долгое время не удавалось точно измерить скорость легкого дуновения ветра. Обычные измерители скорости — анемометры — останавливаются, едва скорость ветра уменьшается до 0,5–1 м/с. Этого недостатка лишен ультразвуковой анемометр, созданный в нашей стране. По нему с одинаковым успехом можно определять как скорость урагана, так и скорость самого слабого ветра.

Регулирование городского транспорта на перекрестках — серьезная проблема в крупных городах. Появление новейшей электронной техники позволило в какой-то степени более целесообразно регулировать потоки автомобилей в нужном направлении. Но для того, чтобы выбрать оптимальный вариант, нужно иметь данные о числе автомобилей, скопившихся на той или иной магистрали. Эту задачу выполняют транспортные датчики, которые основаны на различных принципах, в том числе и на использовании ультразвука. Подвешенные над проезжей частью дорог, они «замечают» каждую транспортную единицу, приближающуюся к перекрестку. Эти данные в виде электрических сигналов поступают в счетно-решающее устройство, которое и управляет светофором. Такая система позволяет отказаться от жесткой программы, по которой работает большинство светофоров-автоматов. Система программного регулирования уличного движения лучше даже самого опытного регулировщика, ибо она мгновенно учитывает все изменения на перекрестке и принимает оптимальное решение. В результате увеличивается пропускная способность магистралей, уменьшается загазованность воздуха.

В Каунасском политехническом институте создали ультразвуковой локатор, который не только регистрирует все промчавшиеся мимо автомобили, но и различает их по размерам. В сторону дороги локатор излучает акустические импульсы. Отражаясь от появившейся машины, они регистрируются двумя счетчиками: один «запоминает» все легковые автомобили, другой учитывает только грузовики и автобусы.

Английская фирма «Софиэр» разработала ультразвуковое противоугонное устройство, обеспечивающее защиту автомобилей и других транспортных средств даже при незакрытых дверцах и открытых окнах. В этом устройстве на основе использования локационных принципов формируются звуковые сигналы тревоги при попытке проникновения в контролируемый им автомобиль и даже если через его открытое окно протянется рука. Уровень чувствительности устройства можно регулировать и снабжать его специальными фильтрами., предотвращающими срабатывание звуковой сигнализации под воздействием небольших возмущений, например, при попадании птиц или насекомых в салон автомобиля. В устройстве имеется встроенное реле, которое позволяет владельцу в течение 30–40 с покинуть автомобиль и затем автоматически переключаться в режим контроля. Если при сигнале тревоги нарушитель быстро удаляется из автомобиля, противоугонное устройство продолжает вырабатывать сигналы тревоги еще 15 с, а затем выключается. Если же нарушитель остается в автомобиле, устройство продолжает формировать импульсные звуковые сигналы в течение практически неограниченного времени.

Вот еще одна ультразвуковая новинка, связанная с автомобилистами. Немыслимые повороты шеи и корпуса при движении машины задним ходом не по душе каждому автолюбителю. Для тех, кому это вконец надоело, японские конструкторы предлагают специальное устройство обнаружения препятствия при езде задним ходом. Закрепленный на заднем бампере ультразвуковой приемопередатчик отслеживает препятствие, рассчитывает расстояние до него, а результаты расчетов воспроизводятся на индикаторе.

Ультразвук успешно выполняет обязанности сторожа. Он «стоит» на посту в закрытых помещениях — магазинах, складах и т. п. Внешне аппарат похож на тысячи других. Стоит пройти человеку между датчиком и приемником, как начинает мигать лампочка, и через секунду в тишине раздается пронзительный сигнал сирены. Свойство ультразвука чутко реагировать на малейшее изменение среды используется в промышленности и быту. Например, ультразвук автоматически включает сигнал, если в помещении запахло гарью или газом.

У ультразвука есть и другая охранная специальность. Одна из итальянских фирм наладила производство ультразвуковых аппаратов для борьбы с мышеобразными грызунами в хранилищах и других помещениях. Посылая ультразвуковые волны, аппарат быстро изгоняет из помещения мышей и крыс. Активная зона действия ультразвукового аппарата составляет около 250 м². Фирма поставляет и набор аппаратов с центральным пунктом управления, позволяющим охватить несколько помещений площадью более 2000 м². В организме грызунов, подвергающихся длительному воздействию ультразвуковых волн, происходят необратимые физиологические изменения. В результате у них снижается способность к размножению, а в некоторых случаях наступает смерть.

Японская фирма «Исикудзаки Томару» разработала принципиально новый способ борьбы с бытовыми насекомыми паразитами. Создан ультразвуковой аппарат, который, генерируя высокие и ультравысокие звуковые колебания, уничтожает клопов, тараканов, моль, муравьев и других насекомых. Аппарат с условным названием «Омне» работает от бытовой электросети. «Ом-не» достаточно включить на 25–30 мин, плотно закрыть окна, двери и оставить помещение. В квартире надоедливых насекомых уже не будет.

Мы уже упоминали, что собаки воспринимают ультразвук. Часто случается, что собака, оставленная дома одна, громко лает, скулит, волнуясь без хозяина. Естественно, что это не очень-то нравится соседям. В Германии выпускают устройство для отучения собак от этой привычки, которое называется ПСТ-1. В ответ на любой громкий звук (в том числе и на лай) устройство издает ультразвуковой сигнал, не слышимый для людей, но очень неприятный для собаки. Кроме того, включается магнитофон, «восклицающий» «тихо!». Обычно за несколько дней собака приучается вести себя тихо. Поэтому прибор, как правило, не приобретают, а берут напрокат. Изобретатели создали малогабаритный карманный прибор «Догчейзер» с питанием от батарейки для отпугивания агрессивных собак в случае их нападения на человека. При нажатии кнопки прибора, собака вначале неожиданно останавливается потом поворачивается и уходит прочь.

А вот уже совсем неожиданная область применения ультразвука — предупреждение несчастных случаев в плавательных бассейнах. Если на трусах каждого пловца укрепить крошечный передатчик, непрерывно излучающий радиосигналы, а на дно бассейна уложить антенны, имеющие форму плоских квадратов, то при каждом нырянии купающегося возникает предупредительный сигнал. При этом точно известно, в каком квадрате нырнул человек и сколько времени он пробыл под водой. Но эта система удобна только для бассейнов. Для открытых же водоемов она совершенно непригодна, так как, конечно, невозможно устлать морское или речное дно бесчисленными антеннами. Задачу решили иным путем. К купальному костюму вместо радиопередатчика прикрепили миниатюрный ультразвуковой генератор, источником питания которого служит батарейка «Крона». Поскольку нахождение человека под водой более 60 с считается опасным, реле выдержки времени настроено именно на эту величину. Стоит человеку пробыть под водой одну минуту, реле включает генератор, и ультразвуковые колебания достигают расположенного на берегу приемника, чувствительные элементы которого, выполненные из титаната бария, опущены в воду. Приняв сигнал бедствия, приемник включает сирену.

В нашей стране многие реки перекрыты высокими плотинами гидростанций, что затрудняет прохождение рыбы к местам нерестилищ. Различные подъемные устройства и системы оказались малоэффективными: рыба, повинуясь инстинкту, упорно стремится пройти там, где неизбежно должна погибнуть в бурном потоке воды, вращающем лопасти турбин. Ограждать опасные для нее участки сетями сложно и дорого, да и это не решает основной проблемы — проблемы нерестилищ. Выход из этого положения один — нужно, прежде всего, проследить, по каким путям рыба идет на нерест. На нескольких осетрах укрепили миниатюрные ультразвуковые передатчики и выпустили на свободу. На Волгоградской ГЭС по сигналам передатчиков было установлено, что рыба движется на нерест старым руслом Волги, в то время как рыбоподъемник был построен с некоторым смещением. Отсюда вывод: рыбоподъемник надо устанавливать на «традиционных» путях движения рыбы к нерестилищам.

На Черном и Азовском морях, на Рыбинском и Истринском водохранилищах, на озере Сенеж постоянно ведутся записи рыбьих голосов. Для этого в воду на определенные глубины опускаются чувствительные приемники. После анализа записанных звуков нужные отбирают и через передающие устройства излучают в воду. На рыбах пробуют разные звуки: усиленные и обычные, «рыбьи разговоры» и их имитацию. Включаются однотонные записи и импульсные с целью определить, каких звуков рыбы боятся, какие их успокаивают и какие привлекают. Все это делается для того, чтобы научиться управлять поведением рыб и сохранять им жизнь, тем самым, увеличивая природные рыбные запасы рек и морей.

Если на морях, реках, водоемах ультразвук нужен для «приглашения» рыб в нужные места, то в воздухе его применили с обратной целью — для отпугивания пернатых. Известны многочисленные случаи авиационных катастроф, причиной которых были птицы. Английские конструкторы изобрели специальные ультразвуковое «пугало», предназначенное для отпугивания птиц от летящих самолетов. «Пугало» представляет собой ультразвуковую сирену, которая излучает по направлению полета самолета ультразвуковые сигналы, напоминающие звуки пернатых хищников. Как уже говорилось, этот же принцип — отпугивание — использован на сельскохозяйственных полях для избавления от вредных насекомых.

Оригинальное применение ультразвуку нашла одна из немецких компаний, сделав ультразвуковое устройство для открывания и закрывания водопроводного крана. Эта новинка предназначена для медицинских учреждений, поскольку позволяет врачам не прикасаться рукой к водопроводному крану, обеспечивая тем самым максимальную стерильность. Устройство состоит из ультразвукового передатчика, приемника, усилителя, термостата и магнитного клапана для пуска и остановки воды. Монтируется оно на стене в специальном блоке. Передатчик посылает направленный сигнал с определенной частотой. Чувствительность у приемника такая, что реагирует он только на сигнал, отраженный от предмета, который находится в нескольких сантиметрах под краном.

Металлообработчикам хорошо известно, сколько неприятностей вызывает, на первый взгляд, незначительное обстоятельства: нагревшаяся при обработке деталь несколько расширяется. В производстве, где точность измеряется микронами, приходится снимать деталь со станка и ждать, пока она остынет, чтобы ее температура была одинаковой с температурой измерительного инструмента, ибо измерение детали в горячем состоянии может привести к ошибкам. Теперь рабочему не нужно снимать деталь со станка, достаточно лишь взять специальную ультразвуковую линейку и измерить ею деталь прямо на станке. Устройство линейки следующее. Обычный кристалл кварца (пьезоэлектрик) излучает ультразвуковые колебания в прозрачный волновод из оргстекла. Туда же направляется и световой поток. Ультразвуковые волны нарушают однородность светового потока, создавая в нем участки разной плотности. Каждые 0,2 мм плотный участок чередуется с разряженным. Это и есть шкала линейки. Изменяя частоту колебаний, излучаемых пьезоэлектриком, можно увеличивать или уменьшать длину плотных и разреженных участков, меняя тем самым цену деления линейки в пределах 5–10 %.

Необычную контрольную функцию придумали ультразвуку наши изобретатели. Разработан и серийно производится ультразвуковой индикатор течи, который позволяет обнаружить неплотности в отсеках судов, самолетов, в трубопроводах и любых других замкнутых объемах, где необходимо поддерживать герметичность. Обладая высокой чувствительностью, он может выявлять неплотность размером 0,1 мм с расстояния 0,5 м и менее при избыточном давлении газа внутри объема 49 000 Па и более. В качестве индикатора используются головные телефоны.

Ультразвук как контролер пришел на помощь и работникам культуры. Бронзовая статуя императора Марка Аврелия — ценнейший памятник древнеримской эпохи. С первой половины XVI в. она украшала главную площадь Рима на Капитолийском холме. В 1981 г. статую увезли в Центральный институт реставрации. Марк Аврелий, как объяснили специалисты, нуждался в срочном «лечении». Ультразвуковые обследования подтвердили, что памятник «отравлен» кислотными дождями и выхлопными газами. Поэтому он подлежит длительной реставрации, а вместо него временно установлена копия.

Еще один случай, связанный с памятниками культуры, в данном случае Древней Руси. Те, кто побывал в Московском Кремле, видели двухсоттонный Царь-колокол. Он был отлит в 1737 г. для самой высокой колокольни в Москве, названной Иваном Великим. При подготовке к подъему возник пожар. Чтобы колокол не расплавился, его стали поливать водой. Не выдержав резкого охлаждения, бронзовая отливка треснула, от нее отвалился одиннадцатитонный кусок, который по сей день так и лежит рядом.

Ученые через два с половиной столетия решили обследовать колокол и применили новый метод акустической эмиссии. Дело в том, что даже самая маленькая трещина, возникающая, скажем, при отрыве друг от друга двух молекул, сопровождается треском. Оказывается, воспользовавшись одновременно несколькими звукодатчиками, можно определить точное место, откуда пришел звук. Более того, этот метод позволяет вести постоянный контроль не только за отливками, но и, например, за качеством и состоянием баков ракет, выводящих на орбиту корабли многоразового пользования.

Что же удалось установить? Оказалось, в колоколе есть десяток трещин. Но главное, что они «законсервировались» и не развиваются, т. е. в ближайшее время Царь-колоколу ничего не грозит. Однако для того, чтобы застраховаться на все случаи жизни, система контроля по «акустической эмиссии» была установлена для постоянного пользования. Это позволило ученым скорректировать версию. Тонкий анализ сплава, из которого отлит колокол, показал, что вовсе не из-за поливания его водой он треснул. Оказывается, достаточно было просто нагреть его с одной стороны не докрасна, а лишь на сотню-другую градусов, как внутренние напряжения, оставшиеся после охлаждения отливки, разорвали колокол, т. е. он треснул еще до того, как на него стали лить воду.

Еще одна новинка. В Парижской Академии наук с помощью приспособления, основанного на магнитострикционном эффекте, получили ультразвук очень высокой интенсивности с частотой 20 кГц. Используя энергию, передаваемую механическими колебаниями воздуха, удалось поднять предметы, весящие до 500 г. Конечно, эти предметы не летают, они только приподнимаются на 0,1 мм над излучателем ультразвука. Однако это явление может найти важное применение. Используя это свойство, можно, например, изготовить ротационные подшипники, почти совершенно не имеющие трения.

Мы уже привыкли к тому, что стали говорить «неслышимый звук», а есть ли «светящийся звук»? Слово «люминесценция» часто применяется с приставкой «фото», «электро», «хемо», которые указывают на причину свечения. Теперь появилась еще одна приставка — «соно». Мы знаем, что ультразвук вызывает кавитацию. Так вот, если ультразвуковое излучение, проходящее через жидкость, будет иметь большую интенсивность, то в жидкости появятся газовые пузырьки с температурой до 10 тысяч градусов, а в таких условиях газ светится. Свет, исходящий от мельчайших пузырьков, воспринимается как свечение самой жидкости. Это совершенно новое явление. Оно еще не вышло за пределы лабораторий. Но, возможно, что со временем найдет применение в технике.

Радуга, рожденная ультразвуком, — это не фантазия. Если к кварцевой пластинке подвести переменное напряжение ультразвуковой частоты и пропустить через нее свет, то на экране появится красочное изображение. При возбуждении в кварце ультразвуковых волн он в одних местах окажется сжатым, а в других растянутым. Кубик как бы разделится на чередующиеся между собой слои с увеличенной и уменьшенной плотностью. Толщина этих слоев — десятые доли миллиметра. Пройдя через такой «слоеный» кубик, пучок параллельных световых лучей разделится на несколько пучков, идущих по различным направлениям. Световые лучи, отклоненные под разными углами, будут собраны линзой в разных местах экрана, и на нем появятся яркие точки. Если ультразвуковая волна будет единственной, то появятся только две точки, расположенные симметрично по обе стороны центрального пятна. Если же в кубике возбудить не одну, а много ультразвуковых волн, идущих по разным направлениям, то каждая такая волна даст свою пару точек, и тогда на экране возникнет сложная фигура. В результате взаимодействия отклоненных лучей выделятся различные цвета спектра, на которые разлагается белый свет, поэтому причудливая фигура, возникшая на экране, словно в калейдоскопе, будет яркой.

В 1995 г. японские ученые нашли самое необычное применение ультразвуку. Они записали на музыкальном компакт-диске информацию на частоте 20 кГц, которая воздействует на определенной участок мозга человека, слушающего любимую мелодию. Неслышимая информация направлена на то, чтобы не возникало желание воровать. Правда, специалисты считают, что она будет действовать только на профессиональных воров.