коллективных
монографиях  упомянуто  хотя бы  вскользь имя  основателя  советской (и,  по
существу,  мировой)   ультраакустики,  предвосхитившего   многие  применения
ультразвука?  Нет,  в этих отечественных  изданиях  (в отличие  от некоторых
иностранных  работ) напрасно было бы искать имена людей,  стоявших у истоков
ультраакустики...
     Перечислим  некоторые  успешные  современные технологические применения
ультразвука.  Облучение  ультразвуком   расплавленных  металлов  и   сплавов
позволяет получить  более однородную мелкокристаллическую их структуру.  Это
видно  хотя   бы  из  приводимого  рисунка,  взятого  из  упомянутой   книги
"Применение ультразвука в промышленности" (суще-



     Влияние   ультразвука  на   структуру  чугуна.   Слева  --образен,   не
подвергавшийся  действию   ультразвука;  справа  --   образец,  обработанный
ультразвуком во время кристаллизации.


     Ультразвуковая   сварка   под   давлением.    Микроструктурный   анализ
показывает,  что стык шероховатых поверхностей (рисунок слева) уже через 0,1
секунды после воздействия  ультразвука (горизонтальные  стрелки) приобретает
гладкую структуру.

     ствуют  подобные же фотографии,  полученные  еще С.  Я. Соколовым,  но,
разумеется,  новые  данные всегда более убедительны). Облучение ультразвуком
расплавленных металлов  содействует  удалению из них  газов, что в  конечном
итоге  также  улучшает  качество  металла,  обеспечивает  отсутствие  в  нем
усадочных раковин. На симпозиуме  по  ультразвуку в Дюссельдорфе в 1973 году
ученые из ФРГ сообщили,  что ими разработана методика формирования требуемой
структуры металла при воздействии ультразвука.
     Ультразвук используется также при  закалке и  отпуске сплавов, сварке и
пайке,  значительны  перспективы  применения  ультразвука  при  сверлении  и
долбежке   твердых    материалов,   очистке   металлических   изделий,   для
предотвращения  образования  накипи  на  стенках   котлов  и  иных  сосудов,
получения  однородных горючих  смесей,  при  газоочистке  и сушке  различных
материалов.  В  США освоен  дешевый  метод  нарезания  резьбы  произвольного
профиля на металлических изделиях с помощью ультразвука.
     О   масштабах   технологического  применения  ультразвука  говорит   то
обстоятельство, что  в США ультразвуковое оборудование  изготовляют более 50
фирм.  Мощность  ультразвуковых  установок достигает  10  киловатт  и  более
Разнообразное  ультразвуковое  оборудование  для  различных  технологических
процессов изготовляется и в нашей стране.
     Польские инженеры  разработали метод осаждения густого тумана с помощью
мощной направленной ультразвуковой сирены. Будучи установлена на носу судна,
такая  сирена   способна  улучшить  видимость  в  направлении  движения,  на
несколько сот метров вперед.
     Другая   важная   сфера   применения  ультразвука   --   автоматический
неразрушающий   контроль.   На   судах  широко   применяются  ультразвуковые
уровнемеры  и  расходомеры  различных  жидкостей  в  трубах  и  сосудах.  На
ежегодном симпозиуме  по  ультразвуку, проходившем в 1974  году в г. Милуоки
(США), американские  специалисты сообщили о  разработке  высокотемпературных
ультразвуковых   преобразователей  для  контроля  узлов   жидкометаллических
атомных реакторов. Эти преобразователи могут применяться как в стационарных,
так и в судовых ядерных энергетических установках.
     Ультразвуковая  дефектоскопия металлических листов  и различных изделий
являет  собой  пример   традиционного  и  достаточно  давнего  промышленного
применения ультразвука. Еще  в 1942 и 1953 годах С. Я- Соколову и группе его
сотрудников  были присуждены  Государственные  премии СССР  за  разработку и
внедрение  ультразвуковых  дефектоскопов.  С  тех  пор методы  и  аппаратура
ультразвуковой  дефектоскопии  значительно  усовершенствовались. Современные
дефектоскопы позволяют  выполнять  контроль однородных материалов на глубину
от 0,5 миллиметра до 5 метров, при этом в металле обнаруживаются  внутренние
раковины, трещины и  расслоения  размером в  доли миллиметра.  Для выявления
столь  малых  дефектов  используется  ультразвук  с  частотой  до нескольких
мегагерц.
     Весьма  интересные  и  глубокие теоретические  исследования  в  области
ультразвуковой дефектоскопии были выполнены Л. Г. Меркуловым.
     Существует    несколько    методов   производственной    ультразвуковой
дефектоскопии.  В  наиболее  простом  (и  первом  по времени  возникновения)
теневом методе,  или методе сквозного, прозвучивания, излучатель и  приемник
ультразвука  размещаются  один против другого по  разным  сторонам  изделия.
Наличие дефекта  на пути  ультразвуковых  волн  проявляется прежде  всего  в
ослаблении  принимаемого  сигнала.  Синхронное  движение  вдоль  поверхности
изделия излучателя и приемника позволяет обследовать всю площадь испытуемого
изделия.
     Более совершенный импульсный  эхо-метод в  принципе мало  отличается от
метода   морского   эхолотирования.  Излучатель   на   поверхности   изделия
периодически   посылает  ультразвуковые   импульсы   и  принимает   сигналы,
отраженные  от  дефектов или  неоднородностей  внутри  изделия.  Время между
посылкой  и приемом импульсов позволяет  по  известной скорости  ультразвука
определять глубину залегания дефекта.  Существуют  и некоторые другие, более
сложные  методы  выявления неоднородностей в  изделиях,  применяемые  прежде
всего при исследовательских работах.
     В   настоящее  время   в  СССР   разработано   значительное  количество
совершенных  ультразвуковых  дефектоскопов. Броневые  плиты, судовые  валы и
другие изделия подвергаются весьма тщательному ультразвуковому контролю.
     Нельзя не  упомянуть о  применении ультразвука в  медицине. Оставляя  в
стороне  вопросы  ультразвуковой  терапии,  мы не  можем не остановиться  на
ультразвуковых методах диагностики,  связанных, по существу,  все с  той  же
"ультразвуковой  дефектоскопией",  "неразрушающим  контролем",  но  уже   не
металлов и изделий, а  самого человека (именно потому мы и взяли эти термины
в  кавычки). На основе новых систем электронно-акустических преобразователей
созданы весьма  совершенные визуализаторы  внутренних органов  человека. Так
как разные ткани обладают различными акустическими свойствами, то по картине
отраженных или прошедших звуковых волн  можно судить о состоянии исследуемой
части  тела.  Отчетливо фиксируются  нарушения положения  и формы внутренних
органов, наличие опухолевых процессов и иные отклонения от нормы.
     Начиная с  1974 года проводятся ежегодные конгрессы  по  ультразвуковой
медицине. Поражает изобретательность, с которой  медики при помощи инженеров
находят  все  новые  и новые применения  ультразвуку.  Здесь  и  определение
содержания  липоидов в тканях  с помощью оценки ультразвукового рассеяния от
них,  и  применение  фокусированного  ультразвука  для  раздражения  нервных
структур   и  для  измерения  скорости  потока  крови,  и  даже  непрерывное
обеспечение   контроля   за  продвижением   плода   при   родах  (что  очень
заинтересовало акушеров).
     Обнаружены интересные  физические  зависимости. Установлено,  например,
что  поглощение ультразвука  в  легком гораздо  больше,  чем в других мягких
тканях, а поглощение ультразвука  в костях  неожиданно  слабо зависит от его
частоты. Разработан  метод  математического  моделирования тканей  с помощью
ультразвуковых  сигналов.  Согласно   этому   методу   измеряется   величина
ослабления звукового сигнала, прошедшего через ткань, а также изменение фазы
сигнала в зависимости  от частоты ультразвука. Выполняя Фурье-преобразования
с измеренными сигналами, определяют  частотный отклик ткани и с помощью  ЭВМ
вычерчивают электронный  аналог  модели ткани. Тщательный  анализ полученной
документализированной  модели  позволяет  обнаружить  участки  ткани даже  с
незначительной   патологией,   которая   могла   ускользнуть   от   внимания
врача-исследователя  при простом  "просвечивании"  ткани  с  помощью того же
ультразвука.
     Венцом   ультразвуковой   медицинской   визуализации    можно   считать
приведенную в книге  Г.  Чедда картину расположения  пяти близнецов в утробе
матери.  Едва  ли  какой-нибудь  врач  решился  бы применить  для  получения
подобного изображения  рентгеновские  лучи. Ультразвуковое  же  облучение (в
определенных дозах) абсолютно безвредно.
     Применение   комплексной   диагностической   системы,    состоящей   из
ультразвукового  визуализатора,  кардиографа  и  автоматического  фоноскопа,
анализирующего  звуки сердечных сокращений,  позволяет в  наилучшей  степени
установить вид того или иного сердечного заболевания.
     Характерная    для    современной    электроники    миниатюризация    и
микроминиатюризация  ее  элементов дает  возможность  получать  сравнительно
небольшие по размерам  и даже переносные ультразвуковые системы  медицинской
диагностики,  что  позволяет применять  их не  только  в  специализированных
клиниках и стационарах, но даже, например, на судах,
     Автор обещал читателю не касаться ультразвуковой терапии, но невозможно
не упомянуть о некоторых свежих и смелых идеях, выдвинутых в последнее время
отечественными и иностранными учеными. Например, установлено, что ультразвук
может  использоваться  как  средство усиления  действия  гамма-облучения  на
злокачественные опухоли.  Обнаружено также, что при ультразвуковом облучении
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  значительно
меньшей  концентрации. Уже появился новый метод лечения -- фонофорез,  когда
на кожный покров или слизистую оболочку  наносится жидкое лекарство или мазь
и затем эта поверхность обрабатывается ультразвуком.
     Победное шествие ультразвука в промышленности, химии, медицине и других
областях человеческой деятельности продолжается.

ОТ ДЫМОВЫХ ФИГУР
     ДО АКУСТИЧЕСКОЙ
     ГОЛОГРАФИИ
     Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.
     Д. И Менделеев
     "Я первым увидел звук"
     Надпись на могиле Теплера в Дрездене
     Акустические измерения...
     Замечание Леонардо да Винчи: "Опыт  -- основа всякой достоверности"  --
применимо  к  ним в полной и, пожалуй, даже  особой  мере, ибо  мало  кто  в
акустике верит  одним  теоретическим результатам,  пусть даже полученным  на
весьма строгой основе.  Видный американский  акустик Ф. Морз в предисловии к
своей монографии "Колебания и звук" (переведенной в СССР) пишет: "Ни в какой
другой   области  физики  основные   измерения   не   представляются   столь
трудновыполнимыми, как в  акустике,  тогда как теория  относительно проста".
Оставим это утверждение на совести его автора, тем более что оно относится к
1936 году, когда акустическими  измерениями занимались  в  различных странах
лишь немногие ученые. В 1937 году вышла первая в мире книга по  акустическим
измерениям (автор Л. Л. Мясников) В ней описаны  методы измерений  звукового
давления, акустического сопротивления, даны  основы частотного анализа звука
по представлениям  того времени. В наши  дни область  акустических измерений
расширилась  необычайно,  появились  новые  аспекты,  такие,  как  измерения
звукоизоляции,     звукопоглощения,     виброизоляции,      вибропоглощения,
гидроакустические  измерения, измерения  акустических констант  материалов и
веществ,  корреляционные  измерения и  т п.  Монографии  по отдельным  видам
акустических измерений сейчас не редкость.
     Властно  заявляет  о   себе   электронно-вычислительная  и  управляющая
техника. Она позволяет оптимизировать  условия измерений, свести к  минимуму
ошибки. Последние  достижения  в этой области  --  автоматическое управление
измерениями при нескольких  изменяющихся параметрах измеряемого процесса или
условиях,   в   которых  происходит   этот  процесс.  Особенно  значительные
результаты в этой сложной  области получены в СССР А. Е Колесниковым,  Б. Д.
Тартаковским и другими, в ФРГ -- М. Шредером.
     Мы остановимся  здесь  лишь  на одном  вопросе  из области акустических
измерений -- вопросе визуализации звука и вибрации. В  какой-то  мере мы уже
касались его  при  рассмотрении  применения  ультразвука в промышленности  и
медицине.
     В  20--30-е  годы  нашего  столетия для  визуализации  звуковых полей в
воздухе применялись так называемые дымовые фигуры. Легкие частицы дыма, пыли
или  пудры  при  воздействии  звукового  поля  принимают  его  конфигурацию.
Стробоскопическое   освещение  с  частотой  звука  позволяет   зафиксировать
картину.   Метод   не   требовал   какой-либо   сложной    аппаратуры.   Для
гидроакустических полей он, естественно, неприменим. Другой метод -- теневой
-- достаточно старый и вечно новый. Впервые он был предложен Фуко в середине
прошлого столетия для исследования однородности оптических сред  и  качества
обработки  оптических деталей. Существо  его  заключается в следующем.  Лучи
света от точечного источника  проходят  через исследуемую среду или изделие,
собираются в фокусе и проецируются на экран. В фокусе помещается передвижная
заслонка --  нож  с  острой кромкой (он и поныне называется ножом Фуко). При
определенном  положении  нож  срезает  изображение  источника, но  благодаря
дифракции света экран  все же слабо, хотя и равномерно освещен Если  на пути
лучей света до ножа Фуко окажется оптически неоднородная среда, лучи изменят
свой  путь  и будут либо попадать  на нож, либо,  наоборот, проходить поверх
него.  В первом случае на экране  появится  тень, во  втором возникнет более
яркое  освещение  в  соответствующем  месте  экрана.   В  целом  изображение
неоднородности появится на экране, окруженное темными и светлыми полосами.
     Сгущения и разрежения среды при  звуковом процессе связаны с изменением
ее плотности,  то  есть с показателем  преломления. Иными словами, это те же
оптические неоднородности среды. Преподаватель физики Теплер, возможно, даже
не зная в точности  прибора  Фуко, предложил  использовать теневой метод для
визуализации звуковых  полей. Он  получил в мировой практике  также название
шлирен-метода (Schliere-- оптическая неоднородность среды).
     Чувствительность метода  чрезвычайно высока. Отчетливо фиксируются даже
слабые звуковые  поля.  Если  между источником и ножом  Фуко  поднести руку,
будут  видны  поднимающиеся  от  нее  тепловые  потоки  (также  связанные  с
изменением показателя преломления  среды). На основе теневого метода созданы
в  различных  странах  конструкции  интерферометров  с  высокой  разрешающей
способностью.  Если  в  подобный интерферометр ввести ванну со  стенками  из
оптически  однородного  стекла,  то   можно  наблюдать  звуковые  картины  в
жидкости. На приведенной фотографии видно,  как меняется характер  рассеяния
звуковых  лучей  в воде от металлических пластинок  -- гладкой и  снабженной
ребрами (периодическими препятствиями).
     Картина  рассеяния  звуковых лучей  в  воде  от однородной  пластинки и
пластинки с периодическими препятствиями
     Относительно  тонкий  слой  воды,  налитой  на  колеблющуюся  пластину,
позволяет  весьма  просто определять  места  наиболее интенсивных  колебаний
пластины на  различных частотах.  До  известной меры  можно выявить характер
излучения   звука  в  водный  слой.  На  вертикальных  же  пластинах   места
интенсивной вибрации обнаруживаются по осыпавшейся с пластин меловой пасте.
     В  последнее  время  для  визуализации  звука  и   вибрации  предложено
применять жидкие кристаллы. Хотя холестериновые  вещества трудно  сравнить с
кристаллами,  но  именно некоторые  виды холестериновых  соединений обладают
свойством менять цвет в  зависимости от температуры пленки или пластинки, на
которую они нанесены.
     Слой  холестерина   на  такой  пленке  напоминает   слой   затвердевшей
фотоэмульсии.
     Тонкий  слой  воды,  налитый на  поверхность соединенной  с  вибратором
металлической пластины, также позволяет визуализировать ее колебания.

     Осыпавшаяся при колебаниях металлической стенки или пластины фундамента
меловая  паста  указывает места  наиболее  интенсивной вибрации, на  которые
следует устанавливать антивибрационные устройства.
     Если  коснуться   его  пальцем"  то  вокруг   места  касания  возникнут
концентрические  разноцветные  круги. Каждому цвету  при  этом соответствует
определенная температура.  Картина похожа на цвета побежалости на зачищенной
поверхности остывающего металла.
     При  звуковых   колебаниях   происходят  изменения  температуры  частей
колеблющегося  тела,  тем  большие,  чем  больше  амплитуда  колебаний.  Эти
изменения определяют цвет нанесенной на тело жидкокристаллической пленки,  и
можно видеть цветную картину распределения колебаний на поверхности тела.
     В более сложном устройстве для измерения амплитуды звуковых волн (в том
числе поверхностных волн Рэлея) в прозрачных пластинах  жидкокристаллический
слой  помещается  между  двумя подобными  пластинами,  установленными  между
скрещенными поляроидами. При отсутствии звука в пластинах света на экране за
вторым  поляроидом нет,  во время колебаний пластин  он появляется. Получены
формулы   для  определения  интенсивности  колебаний   пластин  по  величине
прошедшего через поляроиды света.
     Появление  лазеров  дало  возможность  разработать  весьма  совершенные
установки для визуализации звуковых  полей и вибрации. На  рисунке приведена
полученная  И.   А.  Алдошиной   картина  колебаний  конического   диффузора
динамического громкоговори-




     Картина колебаний диффузора громкоговорителя, снятая с помощью лазерной
визуализационной установки.
     теля на частоте  500 герц.  Как  видно,  она  достаточно сложна. Анализ
подобных  картин  позволяет   разработать  звуковоспроизводящие  устройства,
работающие с минимальными искажениями.
     Голография   занимает  сейчас  умы   многих  исследователей.   Основным
достоинством  ее является  возможность получения трехмерных  изображений.  О
сложности   проблем  в  этой  области  можно   судить  по  материалам  книги
"Акустическая  голография", выпущенной издательством "Судостроение"  в  1975
году и суммирующей результаты трех  ежегодных  международных симпозиумов  по
акустической  голографии. Хотя  перспективы применения  ее  велики  в  самых
разнообразных  областях  (подводное  звуковидение, визуализация предметов  в
мутных средах, что особенно важно  при  аварийно-спасательных  и  водолазных
работах), но предстоит еще большая работа по повышению качества изображений.
     Сцептроника.   Это   недавно   возникшее  направление  визуализации   и
частотного  анализа  колебаний   связано  с  волоконной  оптикой.  Пучок  из
громадного количества  тончайших стеклянных  волокон  возбуждается  с  торца
исследуемыми  колебаниями  и  одновременно  подсвечивается ярким  источником
света. Каждое из волокон  имеет свою частоту  свободных колебаний, и, если в
спектре  исследуемого  сигнала  имеется  составляющая  этой  частоты,  конец
волокна  приходит в  интенсивные колебания,  что отражается яркой  чертой на
экране. Возможна очень плотная упаковка волокон (до нескольких тысяч на один
квадратный  сантиметр),  что  сулит создание  очень  малых  по  размеру,  но
широкодиапазонных анализаторов -- визуализаторов.
     Поскольку  возможна  визуализация  звука  тем  или  иным  методом,  то,
естественно,  возможна и  "фонизания" света. Световые (или тепловые) сигналы
воспринимаются   сканирующим   устройством   и   подаются   на   специальный
измерительный   магнитофон,   обладающий   очень   широкими   частотными   и
амплитудными характеристиками. При воспроизведении записи через  репродуктор
отчетливо  обнаруживаются  на   слух  места  поверхности,   наиболее  сильно
освещенные и