В. Рачков - Чудесные кристаллы

В короткий срок кварцевые часы получили широкое признание. Это самые точные часы, сконструированные человеком. Они дают возможность не только определять погрешность хода маятниковых часов, но и более точно изучать неравномерности вращения Земли.

Пьезоэлектричество и ультразвук. На редкость плодотворным оказалось содружество этих физических явлений. Пьезоэлектрические приемники и излучатели ультразвука с успехом применяются в промышленности и народном хозяйстве.

Советский Союз стал родиной ультразвуковой дефектоскопии — области техники, занимающейся обнаружением изъянов в различных деталях («дефект» — недостаток, «скопео» — смотрю). В 1927 году советский ученый С. Я. Соколов предложил использовать ультразвуковые сигналы для обнаружения изъянов в металлических отливках.

Внутри металла дефекты невидимы для человеческого глаза, но не для ультразвука. Существуют два способа ультразвуковой дефектоскопии. Один из них основан на отражении ультразвуковых сигналов, другой называется способом сквозного прозвучивания.

Отражательный дефектоскоп в принципе не отличается от гидролокатора. Только вместо воды здесь металл, а вместо подводной лодки — дефект. Как и в гидролокаторе, кварцевая пластинка излучает «порцию» ультразвука, которая отражается от дефекта и в виде эхосигнала возвращается обратно. На экране электронно-лучевой трубки принятое кварцевой пластинкой эхо становится видимым, а зная скорость распространения звука в металле, можно определить место дефекта (рис. 43).

Еще проще способ сквозного прослушивания. Излучатель ультразвука прикладывается с одной стороны металлической детали. С противоположной стороны прикладывается приемник ультразвука.

Рис. 43. Отражательный дефектоскоп: 1 — излучатель; 2 — приемник; 3 — дефект

Если деталь без изъянов, то ультразвуковой сигнал, пройдя толщу металла, воспринимается приемником, усиливается и стрелка индикатора отклоняется. Если же на пути луча встречается изъян, то в этом месте ультразвуковые колебания поглощаются, ультразвук не доходит до конца и стрелка прибора не отклоняется.

Дефектоскопы, использующие способ сквозного прослушивания, получили название теневых дефектоскопов. Поскольку они обычно работают же в импульсном режиме, устройство их значительно упрощается. Чаще всего теневые дефектоскопы применяют для контроля расслоения в тонких листовых материалах, контроля проволоки, проверки качества склеивания листов. Примеры применения теневых дефектоскопов приведены на рис. 44.

Трудно переоценить значение дефектоскопии в промышленности и народном хозяйстве. Ведь малейший дефект в ответственных деталях, таких, как коленчатый вал, может привести к выходу из строя всей машины. При помощи дефектоскопии можно проверить доброкачественность сварных швов и прочность железнодорожных рельсов. Достижения ультразвуковой дефектоскопии позволили не только заметить дефект, но и узнать его форму и размеры. Зоркий глаз дефектоскопа выявляет изъяны не только в металле, но и в бетоне, резине, пластмассе и других материалах.

В настоящее время большое распространение получили так называемые акустические методы Контроля состояния среды и измерения свойств вещества. При распространении ультразвука в среде он будет поглощаться. Величина поглощения зависит от свойств среды. Измерив при помощи чувствительного пьезокристалла величину этого поглощения, можно контролировать состояние и определять структуру различных сложных сред.

Рис. 44. Примеры применения теневого дефектоскопа для выявления: 1 — расслоения листов; 2 — расслоения и трещин в резервуарах и котлах; 3 — качества спая проводов; 4 — трещин и разрывов в стержнях; 5 — трещин в турбинных лопатках; 6 — однородности заливки вкладышей подшипников; 7 — качества сварных швов; 8 — трещин проволоки; 9 — качества сварки рельсов

В атмосфере угольной шахты достаточно очень небольшого количества рудничного газа метана, чтобы произошел взрыв и пожар. На помощь пришел ультразвуковой контролер. Этот прибор сравнивает условия распространения ультразвука через исследуемый воздух и через тот же воздух, но очищенный от метана при помощи специального химического фильтра. По разности показаний стрелочного индикатора можно сразу определить процентное содержание метана.

Подобные ультразвуковые контролеры применяются и для проверки состояния твердых тел. Известно применение ультразвуковых колебаний для непрерывного наблюдения за отвердеванием и увеличением прочности бетонной кладки. Ценность этого способа в том, что нет необходимости для исследований этих процессов разрушать кладку, как это делалось раньше.

Ультразвук и пьезоэлектричество произвели переворот в технике пайки металлов. Беда заключалась в том, что многие цветные металлы, например алюминий, очень плохо паялись и сваривались. Всему виной была тонкая пленка окислов, образующаяся на поверхности металла. Но если паять под непрерывным воздействием ультразвука, то пленка окислов разрушается и не восстанавливается. Качество пайки в таких условиях отличное.

Способность разрушать поверхностные пленки и слои позволила применять ультразвук для очистки накипи в паровых котлах, а также для очистки подводной части корабля от нежелательных обрастаний.

Применяется ультразвук и в химической промышленности, где ультразвуковые колебания размельчают в порошок очень твердые тела.

В сельском хозяйстве ультразвук повышает всхожесть семян многих растений и ускоряет сроки их вызревания.

Разнообразное применение ультразвука в промышленности и народном хозяйстве привело к созданию новых конструкций пьезоэлектрических излучателей и приемников. Для усиления ультразвукового излучения в последнее время стали применять фокусирующие излучатели. Рабочей поверхностью таких излучателей является отрезок сферы или цилиндра из титаната бария (рис. 45). Ультразвуковые волны, излученные такой поверхностью, собираются вблизи центра сферы или оси цилиндра.

Сферические фокусирующие излучатели создают большое усиление ультразвука на небольшой поверхности. Они применяются в тех случаях, когда нужно воздействовать ультразвуком на небольшой и неподвижный предмет.

Цилиндрические излучатели дают меньшее усиление, зато излучение создается в виде полосы, длина которой равна длине цилиндра. Эти излучатели применяются в тех случаях, когда облучение необходимо производить в режиме потока. В этом случае обрабатываемая деталь по конвейеру проходит в полосе облучения.

Рис. 45. Фокусирующие излучатели из титаната бария: а — отрезок сферы; б — отрезок цилиндра

Наряду с созданием новых конструкций излучателей разработаны новые пьезоэлектрические приемники ультразвука, позволяющие обнаружить и измерить ничтожные изменения звукового давления. Размеры пьезоэлектрических приемников могут быть самые различные.

Рассказ о содружестве ультразвука и пьезоэлектричества можно было бы продолжать еще долго. Мы остановимся лишь на одном замечательном достижении советской науки — ультразвуковом микроскопе.

Пожалуй, мало кому из вас не знаком оптический микроскоп. Но попробуйте с его помощью получить изображение предмета, скрытого от человеческого глаза толстым слоем непрозрачного вещества, или увидеть небольшой предмет в непрозрачной жидкости. Ясно, что для таких целей оптический микроскоп не подходит. Эту задачу успешно решает ультразвуковой микроскоп.

Изучая свойства ультразвука, ученые давно заметили, что с укорочением длины волны сходство ультразвуковых и световых волн возрастает. Ультразвуковая волна, так же как и световая, отражается и преломляется. Если световую волну можно сфокусировать в оптической линзе, то и ультразвук поддается фокусировке при помощи специальной ультразвуковой линзы. Такие линзы и применяются в ультразвуковом микроскопе для увеличения изображения.

Рис. 46. Ультразвуковой микроскоп: 1 — сосуд с непрозрачной жидкостью; 2 — линза, фокусирующая ультразвук; 3 — рассматриваемый предмет; 4 — излучатель ультразвука; 5 — электронно-акустический преобразователь с кварцевой мозаикой; 6 — усилитель; 7 — телевизионная трубка

Работу ультразвукового микроскопа можно объяснить следующим образом. Предмет, изображение которого мы хотим увеличить, помещен в сосуд с непрозрачной жидкостью (рис. 46). На него направлен пучок ультразвуковых волн, излучаемый пьезокварцевой пластинкой. Отраженные от предмета ультразвуковые волны фокусируются линзой и попадают на пьезокварцевую мозаику, составленную из множества приемников звука. Ультразвуковое изображение заставляет колебаться те приемники, которые попадают в зону изображения, причем интенсивность этих колебаний определяется интенсивностью соответствующей части изображения. Под воздействием этих колебаний на приемниках появятся электрические заряды.