Ультразвук

В науке и технике XX в. ультразвук по праву занимает одно из выдающихся мест.

Звук - это упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в газообразных, жидких и твердых средах. Одной из главных характеристик звука является частота колебаний. Йо частотному диапазону звуки делятся на неслышные человеку инфразвуки с частотой от 0 до 30 колебаний в секунду, или герц, слышимые человеком звуки с частотой до 20 тыс. Гц, снова неслышимые человеку ультразвуки с частотой до 10 млрд. Гц и гиперзвуки с еще большей частотой (например, волны, обусловленные колебательным движением атомов или молекул вещества), Хотя физическая природа всех видов звука одна и та же, каждый из них имеет и свои принципиальные особенности.

Ультразвук хорошо поддается фокусировке, в результате чего значительно повышается интенсивность колебаний. В сочетании с другим его замечательным свойством - направленным излучением - это создает возможности передачи мощных потоков ультразвуковой энергии в нужных направлениях. Ультразвук можно наблюдать с помощью оптических методов.

"Поскольку интенсивность звука возрастает пропорционально квадрату амплитуды и частоты колебаний, - рассказывает академик АН БССР В. П. Северденко, - можно сравнительно легко получать ультразвук большой мощности. Источники ультразвука, разработанные в Акустическом институте АН СССР, дают рекордно высокую интенсивность в центре фокального пятна, которая в миллион раз превосходит мощность звука при выстреле и в 400 млн. раз - мощность звука громкоговорителя. Ультразвук как энергетический фактор является важным инструментом в исследовании тайн материальной среды и в интенсификации разнообразных технологических процессов производства.

Мы живем в мире ультразвуков - промышленного происхождения и естественных, возбуждаемых животными и насекомыми, морями и океанами, лесами и джунглями. Многие явления природы - гроза, сильный ветер, песчаные бури, снежные бураны - источники ультразвука. Конечно, интенсивность этих природных источников значительно меньше, чем искусственных.

Ультразвук небольшой интенсивности не опасен для человеческого организма и может использоваться для диагностики и лечения заболеваний".

Изучение ультразвука началось полтора века назад, в 1827 г., когда на Женевском озере впервые была измерена-скорость распространения звука в воде. Однако долгое время ультразвук не находил применения в практике. Гибель в 1912 г. английского лайнера "Титаник" при столкновении с айсбергом заставила ученых искать возможность предотвращения подобных катастроф. Проблема была решена благодаря ультразвуку, нашедшему первое практическое применение.

Сегодня трудно назвать область, где бы не применялся ультразвук. Он широко используется в технике, промышленности, физико-технических науках, в том числе в радиоэлектронике, микроэлектронике, при изготовлении полупроводниковых приборов и в производстве интегральных схем. Все более активно "трудится" ультразвук в металлургии и металлообработке - ускоряет процессы обогащения руд, помогает удалять из расплавленного металла газы и шлаковые включения, равномерно распределять легирующие компоненты, входящие в сплав при кристаллизации, измельчать кристаллы, получать однородные кристаллические структуры, уменьшать пористость. Ультразвуковая пайка и сварка являются единственно пригодным методом получения качественных неразъемных соединений из быстроокисляющихся материалов, не поддающихся пайке или сварке обычными методами. Ультразвук значительно облегчает и интенсифицирует трудоемкие и энергоемкие процессы обработки металлов давлением и процессы резания твердых и сверхтвердых материалов.

Используя способность ультразвука отражаться от границы раздела двух сред, советские ученые создали звуковые дефектоскопы, применяемые для контроля железобетонных панелей и конструкций в строительстве, а также деталей и заготовок в металлургии и машиностроении.

Без ультразвука в настоящее время немыслимы процессы очистки и обезжиривания в промышленности. Особенно эффективно применение ультразвуковых устройств для очистки и обезжиривания на поточных линиях приборостроения. На Ульяновском приборостроительном заводе налажено изготовление одних из лучших в стране технологических ультразвуковых установок типа УЗУ-01 и УЗУ-0,25 для промывки и обезжиривания, а также для производства ряда других технологических операций. Установки изготовляются полностью на полупроводниках. Они экспонировались на ВДНХ СССР и получили серебряные медали выставки.

Московскому изобретателю А. Мицкевичу и его ленинградскому коллеге Ю. Холопову принадлежит изобретение нового способа полировки - ультразвуковой полировки металлических поверхностей. Легкого "прикосновения" ультразвука к металлу оказывается достаточно, чтобы его поверхность заблестела как зеркало. Этот технологический процесс отличается рекордной производительностью - он длится десятые доли секунды. Внешне действия рабочего напоминают операции, подготавливающие ультразвуковую сварку. Листы зажимаются двумя контактными наконечниками: нижний служит опорой, к верхнему вместо электрического тока подводят ультразвуковые колебания. Изобретатели полагают, что, варьируя форму рабочего инструмента, можно использовать его и для полировки отверстий.

Группа инженеров Руставского металлургического завода получила авторское свидетельство на изобретение ультразвуковой установки "Листоход-1". Она предназначается для дефектоскопии листового проката. В отличие от аналогичных установок, которые из-за высокой температуры проката размещаются на расстоянии от объекта контроля, "Листоход-1" действует в непосредственном контакте со стальным листом. Этим обеспечивается высокая точность в обнаружении дефектов.

Ультразвук используется во многих технологических процессах - для управления сложными химическими реакциями скоростной и качественной окраски тканей, дубления кожи, сушки, в кондитерской, молочной, мясной и рыбной промышленности, в парфюмерном производстве. Он помогает рыбакам обнаруживать косяки рыб, медикам- лечить всевозможные заболевания. Ученые и инженеры Харькова и Ростова-на-Дону предложили метод ультразвуковой кардиографии. Они создали биолокатор для диагностики заболеваний сердца. Прибор рекомендован к серийному производству. Профессор В. А. Поляков и доцент Г. Г. Чемянов из Центрального института усовершенствования врачей совместно с членом-корреспондентом АН СССР, проректором Высшего технического училища имени Н. Э. Баумана Г. А. Николаевым разработали новый метод лечения костных повреждений и заболеваний- ультразвуковую сварку. При этом методе в тканях организма не остаемся металлических конструкций, требующих повторной операции для их удаления.

Ультразвук взяли на вооружение нефтяники и геологи. Способы ультразвукового фотографирования особенно ценны и незаменимы, когда необходимо получить изображение предметов, находящихся в средах, непрозрачных для световых, рентгеновских и электронных лучей. Акустическое ружье, способное "прострелить" звуковым сигналом большое расстояние, сконструировали ленинградские специалисты. Звук, словно луч прожектора, направляется непосредственно в цель.

"Считалось, что звуковой "луч" для сигнализации невозможен. Такова, мол, природа звука - он распространяется в воздухе, словно круги на воде. Мы с коллегами попробовали - получилось! - рассказывает один из авторов изобретения кандидат технических наук Г. К. Зальцман. - Изготовлены десятки сигналов с разной мощностью. Они применяются на Ленинградском железнодорожном узле. "Звуковой снайпер" найдет применение на стройках, на речных судах и т. д.".

Казалось бы, какая связь между ультразвуком и экономией горючего? Оказывается, прямая. Это с успехом доказали московские инженеры, создав гидродинамический ультразвуковой излучатель. Он предназначен для предварительной обработки дизельного топлива. Устанавливается он прямо на заправочном резервуаре внутри емкости. Принцип его работы чрезвычайно прост. Насос гонит струю горючего через специальные сопло. На пути помещена тонкая металлическая пластина, которая под ударами жидкости начинает вибрировать. Возникает ультразвуковая волна, которая разбивает крупные частицы топлива. В результате резко возрастает коэффициент фильтрации, улучшается ее качество, следовательно, происходит наиболее полное сгорание горючего в двигателе.

Трудно перечислить все области применения ультразвука: он режет самые твердые и хрупкие материалы, которые другими методами обрабатывать невозможно, - алмаз, сплавы, керамику, стекло, он паяет, очищает металлическую поверхность от ржавчины, может быть безошибочным и беспристрастным контролером и т. д.

Широкому практическому применению ультразвука придается очень большое значение. Этой проблеме был посвящен ряд симпозиумов и Всесоюзная научно-техническая конференция в Московском институте стали и сплавов. Главной темой ее обсуждения стала интенсификация технологических процессов с помощью ультразвуковых методов. На конференции был проанализирован опыт применения ультразвука на многих предприятиях нашей страны.

Благодаря ультразвуку очистка деталей идет в 100-200 раз быстрее, чем обычно. За 5 мин ультразвук очищает стальную ленту проката длиной в километр. Качество очистки самое высокое. Расход химических материалов при таком способе очистки уменьшается в 4 раза. Очень перспективен контроль дефектов железнодорожных рельсов переносным ультразвуковым дефектоскопом. Изобретены оригинальные ультразвуковые интроскопы. Возникла ультразвуковая голография.

Многие свойства природы ультразвука пока не раскрыты. Важны новые открытия в исследовании ультразвука.

Ультразвуковой капиллярный эффект

Явление капиллярности - одно из широко распространенных в природе. Ствол, ветви, стебли и листья растений пронизаны множеством капиллярных каналов, по которым ко всем органам растения поступают питательные вещества. Свойство подъема жидкости по капиллярам используется в разных целях - от смоления шпал и изготовления специальной керамики, пропитанной расплавленным металлом, до соления сельди и огурцов.

Академик АН БССР Е. Г. Коновалов обнаружил интересное явление - влияние ультразвука на продвижение жидкости по капиллярам. Ученый поставил простой эксперимент. Он прикрепил к излучателю ультразвукового генератора чашку с водой и опустил в нее капиллярную трубку. В соответствии с известными законами действия капиллярных сил вода в трубке поднималась на некоторую высоту и останавливалась. Когда же включался генератор, вода делала стремительный рывок вверх. Опыт был повторен с подкрашенной водой. После того как заработал генератор, в капиллярной трубке четко обозначились узлы и разрежения стоячих ультразвуковых волн.

Е. Г. Коновалов пришел к выводу, что если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает: высота столба жидкости порой увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема. Исследователь экспериментально доказал, что в данном случае жидкость толкают вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Процесс идет до тех пор, пока напор, создаваемый ультразвуковыми волнами, не уравновесится высотой столба жидкости.

При резании металлов, особенно на больших скоростях, используются смазочно-охлаждающие жидкости. Они способствуют уменьшению трения, понижению температуры режущего инструмента, повышению его стойкости. Известно, что смазочная жидкость может проникнуть под резец. Но как? Ведь резец плотно прижат к изделию- давление достигает 200 кг/см². Такое давление должно вытеснять жидкость из зоны резания. Капиллярным эффектом объяснить это явление не удавалось. Во-первых, капиллярные силы сравнительно слабы и скорость подъема жидкости мала, во-вторых, эти силы связаны с поверхностным натяжением, а высота подъема заметно падает с повышением температуры. А ведь в зоне резания даже при небольших скоростях температура доходит до 300°. Е. Г. Коновалов доказал, что кроме капиллярных сил действие оказывает возникающая при резании вибрация станка. У этой вибрации малая амплитуда и большая частота.

Ультразвуковой эффект применяется в неразрушающих методах контроля при производстве полупроводниковых приборов. Раньше, чтобы проверить герметичность корпуса транзистора, его помещали в ацетоновую ванну на 72 ч. Облучение ультразвуком может сократить время пребывания в ванне до 3-9 мин.

Ультразвуковой капиллярный эффект найдет применение в пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, в окраске тканей и т. д. - словом, всюду, где требуется, чтобы жидкость проникла в поры какого-то тела. Е. Г. Коновалов говорил, что открытый, им эффект со временем послужит разгадке некоторых биологических явлений. Может ли сердце быть единственным источником движения крови? Ведь сердечно-сосудистая система - это капилляры общей длиной около 100 тыс. км. Если бы сердце и сосуды работали по известным законам гидродинамики, то, чтобы прокачать кровь, оно, как подсчитал Е. Г. Коновалов, должно быть в 40 раз мощнее. Нет ли у сердца помощника-ультразвукового насоса?

До сих пор ученые не могли объяснить, почему королевская примула цветет перед землетрясением. Этот цветок растет на острове Ява. Для местных жителей он служит прибором, предсказывающим приближение беды. Е. Г. Коновалов считает, что мощным толчкам земной коры предшествуют слабые колебания разных частот, в том числе и ультразвуковые. Они и ускоряют движение питательных соков по капиллярам растения, интенсифицируют процесс обмена веществ, и цветок расцветает. Лет двадцать тому назад индийские ученые Сингх и Панниах наблюдали влияние музыки на элодею и мимозу. Растения "слушали" музыку по полчаса в день. В это время они росли в полтора раза быстрее.

Открытие Е. Г. Коновалова внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 109 с приоритетом от 31 мая 1961 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление аномального увеличения (в десятки раз) скорости движения и высоты подъема жидкости в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука и возрастание их с повышением температуры".