Соколов намного обогнал свое время...
Г. Чедд. Звук.
Автор должен предупредить читателя, что, несмотря на жизнеутверждающий
тон заголовка, в повествовании об ультразвуке будет и доза ламентаций.
Но сначала некоторые воспоминания довольно давних лет. Тема их также,
естественно, связана с названием. К тому же они радостны, как всякие
воспоминания ("что пройдет, то будет мило" - А. С. Пушкин).
Итак, май 1938 года. Наш учитель, профессор Ленинградского электротехнического
института С.Я.Соколов, входит в аудиторию.
- Что-то вас мало сегодня. Ясно, до сессии еще далеко, а погода
хорошая. Пойдем и мы погуляем.
Группа студентов проходит со своим преподавателем мимо первой в
стране лаборатории электроакустики, размещающейся в старой церкви.
За ней - парк, тянущийся до одного из рукавов Невы.
Соколов обращается к студентам:
- Хочу поговорить сегодня с вами о перспективах применения ультразвука.
Сейчас в них мало кто верит, а они будут гигантскими и вы еще сами
убедитесь в этом. Кстати, несколько лет назад на этих вот деревьях,
осенью, когда ветви были без листьев, я развесил восемьсот метров
стальной проволоки и убедился, что затухание звука, в том числе
и ультразвуковой частоты, в металлах ничтожно.
- Вы знаете об успехах нашей лаборатории в ультразвуковой дефектоскопии
металлов, - продолжал Сергей Яковлевич. - Так вот, ультразвук будет
"просвечивать" и тело человека, причем в отличие от рентгеновских
лучей это совершенно безвредно. С помощью ультразвука мы уже делали
эмульсию ртути с маслом и водой. Если мощность звукоизлучения достаточна,
можно эмульгировать практически любые компоненты. Но и это далеко
не все. Пробовали на металлургическом заводе облучать ультразвуком
расплавленный металл. Зернистость его уменьшается во много раз.
Можно получать сплавы с высокой степенью однородности структуры.
Можно применять ультразвук и для очистки изделий, для соединения
металлов друг с другом. А влияние ультразвука на химические реакции?
Ведь это поистине безграничная область.
- Сергей Яковлевич, а где все это описано? - спрашивает кто-то из
нас.
- Публикуем понемногу результаты в журналах. Но мыслей столько,
что не успеваем все описывать. В общем, применения ультразвука будут чрезвычайно многообразны, и очень важно создать электронно-акустический
преобразователь, делающий видимым любое ультразвуковое изображение.
Сейчас наша кафедра совсем близка к созданию такого преобразователя.
(Он вскоре и был создан С. Я. Соколовым - И. К.)
Прошло четыре десятилетия. Просматриваю только что вышедшие книги
по применению ультразвука: "Ультразвуковая технология",
1974; "Применение ультразвука в промышленности", 1975.
Конечно, техника значительно усовершенствовалась, вскрыты многие
новые закономерности, но некоторые из основных направлений в применении
ультразвука все те же, о которых мы слышали в довоенные студенческие
годы. Может быть, в этих 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.
Ультразвуковая сварка под давлением. Стык шероховатых поверхностей уже через 0,1
секунды после воздействия ультразвука приобретает
гладкую структуру.
Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов
позволяет получить более однородную мелкокристаллическую структуру.
Облучение ультразвуком расплавленных металлов содействует удалению
из них газов, что в конечном итоге также улучшает качество металла,
обеспечивает отсутствие в нем усадочных раковин.
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.
Другие страницы из книги И.И. Клюкина « Удивительный мир звука»
