И Клюкин - Удивительный мир звука
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.
