Первые шаги в изучении ультразвука

В природе использование УЗ известно давно: навигация летучих мышей в темноте, общение дельфинов и насекомых и др.

Именно с изучения механизма, подаренного эволюцией летучим мышам, и начинается история исследования УЗ. Первые шаги в этом направлении сделали Спалланцани и Джурайн в 1793 и 1798 годах соответственно.

Их эксперименты показали, что лишенные способности видеть летучие мыши совершенно не теряют своих навыков полета. Однако с изолированными ушами или ртом они полностью теряют способность ориентироваться, находясь в воздухе.

Несмотря на получение столь интересных результатов, они долгое время не были должным образом интерпретированы. И только в 1920 г. английский нейрофизиолог Г. Хартридж выдвинул предположение, что летучие мыши для ориентации используют звуковые волны высокой частоты, испускаемые ими же [2].

Множество исследований показало, что не только летучие мыши восприимчивы к УЗ или могут быть его источником. Оказалось, что добыча летучих мышей, бабочки, точнее, некоторые их виды, восприимчивы к ультразвуку, так что ночью во время охоты этих хищников их жертвы могли в прямом смысле услышать приближение опасности. Не только бабочки, но и многие другие насекомые пользуются УЗ. Вечером и ночью джунгли «шумят» на низших частотах УЗ диапазона.

Стоит отметить, что излучать ультразвук могут некоторые ракообразные, а воспринимают УЗ собаки, дельфины, киты и некоторые грызуны.

Однако теоретические основы, позволяющие с достаточной точностью описывать УЗ колебания, появились до описанных опытов с животными и насекомыми.

Основоположником, внесшим большой вклад в различные аспекты теории звука, является британский физик Джон Уильям Стретт, более известный как Лорд Рэлей. Один из его основных трудов, вышедший в 1877 г., так и назывался, «Теория звука».

Лорд Рэлей впервые описал поверхностные упругие волны, которые были впоследствии названы в его честь.

Он также исследовал рассеивание и дифракцию упругих волн.

Одной из главных величин, описанной им и имеющей принципиальное значение в теории УЗ, является звуковое давление, которое он сам назвал «давлением колебаний» [3]. В честь этого открытия два других не менее известных в области звуковых колебаний исследователя, Герц и Менде, назвали эту величину «релеевым давлением». Важность открытия данной величины заключается в том, что она позволяет оценить степень непосредственного воздействия звуковой, а значит и УЗ, волны на препятствие. Эта величина до сих пор является одним из основных параметров УЗ излучателей, указываемых в техническом описании.

Несмотря на активное развитие теории звука с середины XIX века (а термин акустика был введен французским математиком Жозефом Совером еще в 1701 г.) и появление технологий магнитострикции (МС) и пьезоэлектричества (ПЭ), эффективные излучатели УЗ появились лишь в самом начале XX века.

В основу первых стабильно работающих на определенной частоте УЗ вибраторов лег принцип, аналогичный принципу работы обычного свистка. А именно, поток воздуха определенной интенсивности подавался на острую грань, в результате чего образовывались завихрения воздуха и колебания в УЗ диапазоне. Для их усиления после грани располагался резонатор определенной формы и размера.

Таким образом, нет ничего удивительного, что первое описанное подобное устройство называлось «Свисток Гальтона» [4]. Очевидное преимущество такого устройства состоит в том, что необходим лишь источник постоянного давления для формирования потока воздуха, а конструкция самого излучателя достаточно проста и не требует специальных материалов. Однако КПД подобного устройства не высок.

Дальнейшим развитием УЗ свистка стал газоструйный излучатель, в котором используется неоднородность быстрого воздушного потока при выходе из сопла. Мощность этого излучателя ощутимо превышала мощность «Свистка Гальтона».

Аналогичные исследования проводились и в отношении жидкостных свистков. Оказалось, что принцип газоструйного излучателя в жидкостях не применим, а на основе «Свистка Гальтона» возможно построить подобное устройство для низких частот, но КПД его очень мал. Таким образом, возбуждения УЗ колебаний в жидкости, что является необходимым условием во множестве технологий, например, эхолокации, можно осуществить, возбуждая колебания нужной частоты в газе и передавая их в жидкость. Ввиду значительной разницы в акустических сопротивлениях этих сред, для снижения потерь применялись специальные параболические зеркала, фокусирующие большую часть мощности УЗ излучателя в небольшой области, где и осуществлялась передачи колебаний в жидкость.

Еще одним устройством, позволявшим получать сопоставимые с газоструйным выключателем мощности, были УЗ сирены. Однако появились они только в 1934 г., когда уже активно изучались МС и ПЭ излучатели [5].

После «Свистка Гальтона» в конце 30-х годов XX века мир увидел первые УЗ излучатели, работающие на принципе МС, который был открыт значительно раньше.

В 1847 г. Джоуль открывает эффект магнитострикции (МС). Суть эффекта заключается в том, что длинна стержня из ферромагнетика меняется под действием сонаправленного с ним магнитного поля. Разумеется, получаемые деформации весьма малы и удлинение такого стержня составляет тысячные доли процента. Однако оказалось возможным получить переменную деформацию с существенной амплитудой на частотах до 60 кГц. Этого было достаточно для разработки УЗ вибратора на основе МС эффекта. Основной проблемой при их проектировании является подбор габаритов стержня и частоты работы излучателя, ведь максимальный эффект может быть достигнут только тогда, когда она совпадает с собственной частотой колебаний стержня.

Для подбора соответствующих частоты, длинны стержня и материала стержня Койль в 1947 г. разработал наглядную номограмму, значительно упрощающую расчет вибраторов, основанных на эффекте МС [6].

После разработки МС преобразователей начался процесс их совершенствования с целью повышения КПД и расширения границ применимости.

Одним из важных направлений этого процесса был поиск материалов, наиболее существенно изменяющих свои геометрический размеры при изменении магнитного поля, а также имеющих графики этих изменений, наиболее приближенные к линейному виду. В контексте этого вопроса рассматривались не только различные металлы, но и их сплавы. Вне сферы материаловедения было обнаружено, что наличие постоянной составляющей внешнего магнитного поля позволяет существенно линеаризовать характеристику деформации рабочего тела.

Ряд исследований показали, что МС преобразователи можно выполнить в множестве различных конфигураций рабочего тела, выполненного из МС материала, и обмоток, создающих внешнее магнитное поле. Были разработаны УЗ вибраторы в виде вытянутых стержней, сплюснутых пластин, а также вогнутых плоскостей, позволявших сконцентрировать излучаемый УЗ в небольшой области, достигая при этом весьма существенных амплитуд полученных колебаний. Например, в фокусах таких излучателей самовозгоралась вата. Также были разработаны кольцеобразные МС излучатели, чьи колебания распространялись во все стороны в плоскости излучателя.

Однако при всей простоте и дешевизне конструкции МС вибраторы имели достаточно низкую максимальную мощность создаваемых колебаний. И только после появления пермендюра — разработанного в США сплава — появились вибраторы достаточно большой мощности.

Сравнение по максимальной излучаемой мощности и КПД УЗ излучателей, основанных на различных принципах действия, будут приведены далее.

Следующей вехой в истории развития УЗ стало открытие братьями Кюри эффекта пьезоэлектричества (ПЭ) в 1880 году.

Широко применяемый в науке и промышленности эффект ПЭ положил начало разработке ПЭ УЗ преобразователей, которые в дальнейшем имели повсеместное применение.

Суть эффекта заключается в том, что при механическом воздействии в определенном направлении на элементы из некоторых диэлектриков и полупроводников на их поверхностях образуется электрическая разность потенциалов небольшой величины. Имеет место и обратный эффект: при приложении к таким элементам электрического напряжения они незначительно меняют свои геометрические размеры.

ПЭ эффект проявляется, как прямой, так и обратный, при работе с материалом, в элементарных ячейках которого на молекулярном уровне отсутствует симметрия по одной из осей. Одним из наиболее известных и распространенных материалов, проявляющих ПЭ эффект, является кварц, достаточно широко распространенный в природе в виде минералов. Существуют также методы выращивания синтетических кварцевых кристаллов. Важным свойством кварца с точки зрения применения в УЗ преобразователях является его существенная механическая прочность, что допускает большую колебательную нагрузку.

На сегодняшний день кроме кварца в ПЭ преобразователях и элементах также широко применяются турмалин, различная пьезокерамика и сегнетоэлектрики. Выбор материала для ПЭ преобразователя производится в зависимости от его предполагаемой конструкции, назначения и условий работы.

Однако первый ПЭ излучатель ультразвука был разработан только в 1917 году французским физиком Полем Ланжевеном [7]. При подведении внешнего электрического поля к кварцевой пластине на ней возбуждались упругие колебания УЗ частоты.

ПЭ элемент является рабочим телом ПЭ преобразователя.

Одно из существенных преимуществ ПЭ преобразователей над МС заключается в том, что ПЭ элементу возможно придать различную геометрическую форму, что создает специфические плоскости излучения УЗ.

Так, например, при создании ПЭ элемента в форме сектора сферы, колебания от соответствующего излучателя будут сфокусированы в точке геометрического центра этой сферы, что многократно усилит их воздействие в этой точке.

Или же излучатель может состоять из мозаики одинаковых небольших кристаллов, имеющих необходимую форму для плотного прилегания друг к другу.

Другим преимуществом ПЭ излучателей является возможность получения большой мощности излучаемого УЗ.

Для сравнения максимальных мощностей УЗ излучателей, основанных на различных принципах действия, приведем некоторые их показатели.

Один из первых УЗ излучателей, «Свисток Гальтона», способен излучать колебания с мощностью до 1 Вт на см. кв. Что же касается УЗ сирены, также работающей на принципе рассечения воздушного потока, то максимальная мощность таких устройств достигала 100 Вт на см. кв., а КПД до 70%.

Далее, мощность МС излучателей достигала нескольких десятков Вт на см. кв., а КПД достигал 70−80% при использовании ферритовых преобразователей.

И наконец, кварцевые ПЭ излучатели в непрерывном режиме создавали колебания мощностью до 55 Вт на см. кв., а в импульсном режиме фиксировалась мощность до 1000 Вт на см. кв. С помощью модификации таких ПЭ излучателей в фокусе вогнутого УЗ зеркала были получены колебания, мощность которых оценивалась до 5000 Вт на см. кв. КПД кварцевых преобразователей колеблется от 40% до 70%.

Чтобы представить мощности УЗ колебаний, полученных на излучателях различного типа, стоит отметить, что мощность звуковых колебаний при выстреле пушки можно грубо оценить в 0,001 Вт на см. кв. [1].

ультразвук дефектоскопия диагностический медицина.