Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

Изучение строения земли — увлекательная область знания. Но проникнуть в недра земли очень трудно: бурением мы можем уйти лишь на глубину, ничтожную по сравнению с размерами земли. Узнать же тайны строения более глубоких слоев позволяет изучение явлений, сопровождающих землетрясения. Талантливый русский ученый Б. Б. Голицын говорил, что землетрясение подобно «фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит».

И действительно, изучение волн, возникающих во время землетрясения в земной коре, помогает узнать строение земли. Иногда ученые искусственно вызывают подобные волны, производя взрыв. И в этом случае характер распространения волн позволяет проникнуть в толщу земли, произвести разведку полезных ископаемых.

С. Я. Соколов предложил использовать методы ультразвуковой дефектоскопии для изучения на модели распространения волн в земной поверхности.

Ученый рассчитал, что если приготовить модель земного шара, то, направляя наклонно к ее поверхности ультразвуковую волну, можно вызвать возникновение волн, аналогичных тем, которые наблюдаются при землетрясениях. Чтобы характер распространения волн на модели соответствовал тому, что мы наблюдаем на земле, необходимо длину волны уменьшить во столько же раз, во сколько модель меньше земли. Практически для этой цели приходится пользоваться волнами с частотами от сотен тысяч до десятков миллионов герц.

Придав модели рельеф, соответствующий поверхности земли, можно изучить распространение волн в земной коре и проверить предположения о ее строении.

Наблюдение особенностей распространения в толще земли волн, возникающих при землетрясениях, привело ученых к мысли о том, что на глубине приблизительно 2900 километров расположено земное ядро, вещество которого по составу резко отличается от вещества внешних оболочек земли. Сквозь земное ядро могут проходить только продольные волны, поперечных волн земное ядро не пропускает. Однако объяснить, почему возникло такое резкое разделение в веществе земли, затруднительно, и поэтому наряду с гипотезой о существовании земного ядра было высказано предположение о том, что химически строение земного шара однородно, особенности же распространения волн в толще земли объясняются изменением свойств вещества земли под влиянием высоких давлений, существующих в ее толще. Для проверки возможности подобного объяснения из органического стекла была изготовлена модель земли и на этой модели изучено распространение ультразвуковых волн, воспроизводящих волны, возникающие при землетрясении. Опыты производились при различных температурах: как при более низких, чем температура размягчения органического стекла, так и при более высоких. В процессе этих опытов удалось воспроизвести особенности распространения волн в земной толще, не прибегая к скачкообразному изменению плотности и состава модели, а меняя лишь вязкость вещества, из которого она была изготовлена. Результаты этих опытов рассматриваются как подтверждение гипотезы об однородном строении земного шара.

Вероятно, в недалеком будущем ультразвуковое моделирование найдет себе иные, еще более интересные применения для изучения строения земли.

До сих пор мы рассказывали о таких применениях ультразвукового контроля, при которых свойства исследуемого вещества не изменялись. Но мы знаем, что скорость распространения звука зависит от свойств вещества, и поэтому если эти свойства будут изменяться, то одновременно будет изменяться и скорость звука. Это позволяет использовать ультразвуки для изучения различных физико-химических процессов.

Особенно большое практическое значение может иметь применение ультразвука для проверки степени затвердевания бетона. Строителям важно знать, когда этот процесс закончится. При исследовании твердеющего бетона пользуются как методом сквозного прозвучивания, так и импульсным эхо-методом. Применяемые аппараты напоминают обычные дефектоскопы. Ультразвуковые импульсы проникают в бетон на глубину до 30 метров, что позволяет исследовать очень большие сооружения.

По мере затвердевания бетона растет его прочность, а одновременно растет и скорость распространения в нем ультразвуковых колебаний. Измеряя скорость распространения ультразвука в бетоне и одновременно производя испытание бетона на прочность, ученые установили зависимость между этими величинами. Имея в руках график этой зависимости (рис. 56), строитель может непосредственно на строительной площадке проверить качество бетона. Для этого ультразвуковой излучатель прикладывают к бетонному сооружению и направляют в толщу бетона короткий сигнал. Одновременно с посылкой импульса на экране аппарата появляется отметка — зигзаг светового луча. Когда придет отраженный ультразвуковой сигнал, появится второй зигзаг, несколько отстоящий от первого. Расстояние между первым и вторым зигзагами соответствует времени между посылкой ультразвукового сигнала и приходом его эха. Зная размеры исследуемого объекта, легко вычислить скорость ультразвука и найти то наибольшее напряжение, которое может выдержать бетон при сжатии и которое характеризует его механические свойства.

Предположим, что скорость распространения ультразвука оказалась равной 4200 метрам в секунду. Восстановив перпендикуляр до пересечения с опытной кривой на рис. 56 и проведя из точки пересечения прямую, параллельную горизонтальной оси, найдем, что наибольшее напряжение, которое может выдержать бетон при сжатии, составит 360 килограммов на квадратный сантиметр. Для каждого сорта бетона зависимость между скоростью звука и прочностью материала должна устанавливаться опытным путем.

С помощью ультразвука были изучены массивные плотины, а также образцы бетона длиной от 20 сантиметров до 15 метров. В результате исследования удавалось обнаружить даже небольшие трещины и промерить глубину поверхностных трещин. Ультразвук помог определить упругие свойства недоступных для непосредственного осмотра частей сооружений, обнаружить участки, отличающиеся пониженной прочностью.

Иногда для контроля за протеканием химического превращения удобно следить за изменением вязкости. Как оказалось, и для этой цели можно воспользоваться ультразвуковыми колебаниями. Предназначенный для измерения вязкости прибор, названный ультравискосоном, состоит из небольшого зонда, соединительного кабеля и электронной вычислительной машины. Зонд представляет собою тонкую металлическую ленту из магнитострикционного сплава. Специальный генератор заставляет зонд совершать ультразвуковые колебания. Если погрузить колеблющийся зонд в жидкость, то в зависимости от ее вязкости затухание колебаний зонда увеличится, а скорость распространения волн вдоль зонда изменится. Амплитуда колебаний зонда составляет всего 2–3 стотысячные доли сантиметра, так что ультразвуковая волна не изменяет свойств исследуемой жидкости. Вычислительная машина, соединенная с зондом, на основании изменений в колебаниях зонда определяет соответствующее значение вязкости, которое и фиксируется положением стрелки прибора, укрепленного на передней панели ультравискосона.