§ 160. Ультразвук и его применение

По своей природе ультразвук представля­ет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука (см. §158). Однако ультразвук, обладая высокими частотами (n>20кГц) и, следовательно, малыми длинами волн, характеризуется особыми свойствами, что позволяет выделить его в отдельный класс явлений. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны, как и свет, могут быть получены в виде строго направленных пучков.

Для генерации ультразвука использу­ются в основном два явления.

Обратный пьезоэлектрический эффект (см. также §91) — это возникновение де­формации в вырезанной определенным об­разом кварцевой пластинке (в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического по­ля. Если такую пластинку поместить в вы­сокочастотное переменное поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. При резонансе на собственной частоте пластинки получают большие амплитуды колебаний и, следовательно, большие ин­тенсивности излучаемой ультразвуковой волны. Идея кварцевого ультразвукового генератора принадлежит французскому физику П. Ланжевену (1872—1946).

Магнитострикция — это возникнове­ние деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. Поместив ферромагнитный стержень (например, из никеля или железа) в быстропеременное магнитное поле, возбуждают его механи­ческие колебания, амплитуда колебаний которых максимальна в случае резонанса.

Ультразвуки     широко     используются

в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружения подводных предметов и определения глу­бин (гидролокатор, эхолот). Например, в эхолоте от пьезокварцевого генератора, укрепленного на судне, посылаются на­правленные ультразвуковые сигналы, ко­торые, достигнув дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Зная скорость их распространения в воде и определяя время прохождения (от подачи до воз­вращения) ультразвукового сигнала, мож­но вычислить глубину. Прием эха также производится с помощью пьезокварца. Звуковые колебания, дойдя до пьезоквар­ца, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварца возникают электри­ческие заряды, которые измеряются.

Если пропускать ультразвуковой сиг­нал через исследуемую деталь, то можно обнаружить в ней дефекты по характерно­му рассеянию пучка и по появлению уль­тразвуковой тени. На этом принципе со­здана целая отрасль техники—ультра­звуковая дефектоскопия, начало кото­рой положено С. Я. Соколовым (1897— 1957). Применение ультразвука легло также в основу новой области акустики — акустоэлектроники, позволяющей на ее основе разрабатывать приборы для обра­ботки сигнальной информации в микрора­диоэлектронике.

Ультразвук применяют для воздейст­вия на различные процессы (кристаллиза­цию, диффузию, тепло- и массообмен в ме­таллургии и т. д.) и биологические объек­ты (повышение интенсивности процессов обмена и т.д.), для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т.д.). Ультразвук использует­ся также для механической обработки очень твердых и очень хрупких тел, в ме­дицине (диагностика, ультразвуковая хи­рургия, микромассаж тканей) и т. д.