Автоколебания буксируемой плавучей емкости (вид в пла­не).

^>в конце прошлого века на основании результатов весь­ма изящного опыта. За от­сутствием устройств, сооб­щающих жидкости прямо­линейное движение, им был использован наполненный водой, сосуд относительно большого диаметра, вращае­мый вокруг вертикальной оси. Когда у стенок сосуда, где скорость движения жид­кости наибольшая, в воду был опущен груз маятника, то помимо естественного по­стоянного отклонения по течению жидкости он начал совершать также колеба­тельные движения в перпен­дикулярном направлении. Итак, мы коснулись ав­токолебаний приятных (не­которые музыкальные зву­ки), автоколебаний полез­ных (составляющих основу устройства некоторых ма­шин и приборов), наконец, автоколебаний опасных.

Есть также автоколебания, пусть не особенно опас­ные, но в достаточной степени раздражающие. Кому из нас не приходилось воевать уже не с пою­щими, а с ворчащими, рычащими, стонущими труба­ми в ванной? А скрипы плохо смазанных петель, дверных створок, касающихся пола? Впрочем, не все­гда и не всех эти звуки раздражали. В повести Го­голя «Старосветские помещики» . есть строки, свиде­тельствующие, что подобные автоколебания могли и умилять: «Но самое замечательное в доме — были

81

поющие двери. ^! Как только наставало утро, пенне дверей раздавалось по всему дому. Я не могу ска­зать, отчего они пели: перержавевшие ли петли были тому виною, или сам механик, делавший их, скрыл в них какой-нибудь секрет; но замечательно то, что каждая дверь имела свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым тоненьким дискан­том; дверь в столовую хри-пела басом; но та, которая была в сенях, издавала какой-то странный дребезжа­щий и вместе стонущий звук, так что, вслушиваясь в него, очень ясно, наконец, слышалось: батюшки, я зябну!»

И далее Гоголь пишет:

«Я знаю, что многим очень не нравится сей звук; но я его очень люблю, и если мне случится иногда здесь услышать скрып дверей... боже, какая длин­ная навевается мне тогда вереница воспоминаний!»

Интересно, что сказал бы Гоголь или его милые старички, если бы рядом с ними раздался скрип, вер­ нее, страшный визг тормозов современного автомо- биля? Едва ли хоть когда-нибудь и у кого-нибудь эти звуки наших дней смогли бы вызвать милые воспо­ минания... ,

ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА

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 Ле* нинградского электротехнического института С. Я. Со* колов, входит в аудиторию,

82

-.,,— Что-то вас малр, сегддня. 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 — царк, тянущийся до одного из рукавов Невы.

Соколов обращается к студентам:

• Хочу поговорить сегодня с вами о перспекти­ вах применения ультразвука. Сейчас в них мало кто верит, а они будут гигантскими и вы еще сами убеди- т_?есь 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 ультра­ звуковой частоты, в металлах ничтожно.

• Вы знаете об успехах нашей лаборатории в ультразвуковой дефектоскопии металлов, — продол­ жал Сергей Яковлевич. — Так нот, ультразвук будет «просвечивать» и тело человека, причем в отличие от рентгеновских лучей это совершенно безвредно. С по­ мощью ультразвука мы уже делали эмульсию ртути с маслом и водой. Если мощность звукоизлучения до­ статочна, можно эмульгировать практически любые компоненты. Но и это далеко не все. Пробовали на металлургическом заводе облучать ультразвуком рас­ плавленный металл. Зернистость его уменьшается во много раз. Можно получать сплавы с высокой сте­ пенью однородности структуры. Можно применять ультразвук и для очистки изделий, для соединения металлов друг с другом. А влияние ультразвука на химические реакции? Ведь это поистине безгранич­ ная 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 чрезвычай­ но многообразны, и очень важно создать электронно- акустический преобразователь, делающий видимым любое ультразвуковое изображение. Сейчас наша ка­ федра совсем близка к созданию такого преобразо­ вателя. (Он вскоре и был создан С. Я. Соколовым —. И. К.)

83

Перечислим некоторые успешные современные технологические применения ультразвука. Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную мелкокристал* лическую их структуру. Это видно хотя бы из приво-»-димого рисунка, взятого из упомянутой книги «Применение ультразвука в промышленности» (суще*

Влияние ультразвука на структуру чугуна. Слева —

образец, не подвергавшийся действию ультразвука;

справа — образец, обработанный ультразвуком во

время кристаллизации.

84

Ультразвуковая сварка под давлением. Микроструктурный анализ показывает, что стык шероховатых поверхностей (ри­сунок слева) уже через 0,1 секунды после воздействия ультра­звука (горизонтальные стрелки) приобретает гладкую струк­туру.

ствуют подобные же фотографии, полученные еще С. Я. Соколовым, но, разумеется, новые данные все­гда более убедительны). Облучение ультразвуком расплавленных металлов содействует удалению из них газов, что в конечном итоге также улучшает ка­чество металла, обеспечивает отсутствие в нем уса­дочных раковин. На симпозиуме по ультразвуку в Дюссельдорфе в 1973 году ученые из ФРГ сообщи­ли, что ими разработана методика формирования тре­буемой структуры металла при воздействии ультра­звука.

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

85

в направ-лении _; 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 из-

и приемника ^ позволяет йбследовать всю _i йлощадь испытуемого изделия.

Более совершенный импульсный эхо-метод в принципе мало отличается от метода морского эхоло-тирования^ Излучатель на поверхности изделия перио­дически посылает ультразвуковые импульсы и прини­мает сигналы, отраженные от дефектов или неодно-родностей 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 но-. вых 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

87

/

скорости потока кро»й, и даже непрерывное ©бёспе-чение 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 мягкий 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 докумен-тализированной 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, ко невозможно не упомянуть о некото* рых 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.

ОТ ДЫМОВЫХ ФИГУР

ДО АКУСТИЧЕСКОЙ

ГОЛОГРАФИИ

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.

Д. И. Менделеев

«"Я первым увидел звук»

Надпись на могиле Тендера в Дрездене

Акустические измерения. .*

Замечание Леонардо да Винчи: «Опыт — основа всякой «достоверности» — применимо к ним в полной и, по-^ жалуй, даже особой мере, ибо мало кто в акустике **-%ерит одним теоретическим результатам, пусть даже |" полученным на весьма строгой основе. Видный аме­риканский акустик Ф. Морз в предисловии к своей ¹ монографии «Колебания и звук» (переведенной в СССР) пишет: «Ни в какой другой области физики Основные измерения не представляются столь трудно

.выполнимыми» как в ^акустике, тогда как теория о,Тг носительно 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 а^уп стическим 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 ра,Ст ширилась необычайно, появились новые аспекты, тат кие, как измерения звукоизоляции, звукопоглощения, виброизоляции, вибропоглощения, гидроакустические измерения, измерения акустических констант мате­риалов и веществ, корреляционные измерения и т. п. Монографии по отдельным видам акустических из-.мерений 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. Тарта-ковскйм 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 се-

прошлого столетия для исслёдОванМ'одНород. ности 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 фо-кусе и проецируются на экран. В фокусе помеща­ется⁵ 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 лу-ч^!ей 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).

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. Если коснуться его

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.

лальцем_у то вокруг места-касания возникнут концен трические 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 боль­ шие, чем больше амплитуда колебаний. Эти изменения определяют цвет нанесенной на тело жидкокристалли­ ческой пленки, и можно видеть цветную картину рас­ пределения колебаний на поверхности тела. эдм./м

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.

Картина колебаний диффузора громкогово-

- рителя, снятая с помощью лазерной визуа-

лизационной установки.

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-

теля на частоте 500 герц.-Kjak видно, ойа' достаточно , сложна. Анализ подобных картин позволяет разрабо­тать звуковоспроизводящие устройства, работающие

с минимальными искажениями.

/• Голография занимает сейчас умы многих иссле-^Шателей. Основным достоинством ее является воз­можность получения трехмерных изображений. О слож­ности проблем в этой области можно судить по мате-' риалам 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 ко-- личества 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 — визуа-лизаторов.

Поскольку возможна визуализация звука тем или иным методом, то, естественно, возможна и «фониза-ция» света. Световые (или тепловые) сигналы вос­принимаются сканирующим устройством и подаются на специальный измерительный магнитофон, обла­дающий очень широкими частотными и амплитудны­ми характеристиками. При воспроизведении записи через репродуктор отчетливо обнаруживаются на слух места поверхности, наиболее сильно освещен­ные или нагретые.

95

«ПЕРЕКРЕСТНЫЕ»

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ

ЭФФЕКТЫ.

КВАНТОВАЯ АКУСТИКА

«Перекрестными» эффектами Л. Л. Мясников об­разно назвал эффекты, возникающие при взаимодей­ствии полей или потоков разной природы, например звукового и магнитного, светового и звукового и т. п.

Область перекрестных эффектов поистине безгра­нична, в настоящее время изучены лишь некоторые «разнопольные» взаимодействия. Вот, например, как взаимодействует ультразвук с металлом, находящим­ся в магнитном поле. Вследствие звуковых колеба­ний материала в магнитном поле в материале созда­ются вихревые токи, которые в свою очередь вызы­вают появление вторичного электромагнитного поля. По амплитуде этого поля можно, между прочим, су­дить об интенсивности ультразвука в металле. Эф­фект обратим: поверхностная радиоволна, направляе­мая вдоль металлического стержня с постоянным магнитным полем (а при некоторых условиях и без него), создает в стержне ультразвуковые колебания.

Магнитоакустический эффект весьма чувствите­лен к структурному состоянию металлов и сплавов, степень проявления эффекта зависит от рода и коли­чества даже весьма малых примесей или добавок в материале. Пользуясь этим методом, можно создать материалы с максимальным или, наоборот, мини­мальным коэффициентом механических потерь на ультразвуковых частотах.

Предсказанные теоретически С. А. Альтшуллером и исследованные экспериментально У. X. Копвилле-мом и другими акустический электронный и ядерный магнитные резонансы обнаружены в настоящее вре­мя во множестве кристаллов, содержащих парамаг­нитные примеси. Эти опыты дают интереснейшие све­дения и представления не только о характере маг-нитоакустических резонансов внутри вещества, но и о динамических свойствах кристаллов на гиперзвуко­вых частотах 10⁹ герц и более.

Звуковые колебания могут менять картину взаи­модействия атомных пучков с пьезоэлектрическим материалом. Так, в опытах Л. Л. Мясникова и его сотрудников при облучении кварцевой пластинки атомными пучками калия, рубидия, цезия и таллия наблюдались дифракционные картины пространствен­ного рассеяния пучков. У той же пластинки, приве­денной в колебательное движение на ультразвуковых частотах, дифракционные максимумы рассеяния атомных пучков исчезали.

Еще в 30-е годы нашего столетия был известен акустико-оптический эффект, являвшийся продуктом взаимодействия акустических и световых волн. В жид­кости возбуждалась система плоских ультразвуко­вых волн. В звуковой волне чередуются сгущения и разрежения среды, поэтому подобная структура мо­жет действовать как твердая дифракционная решет­ка. Действительно, при направлении на структуру светового луча появлялись отчетливые дифракцион­ные максимумы и минимумы. Очень эффектные фо­тографии этих дифракционных картин были получе­ны Люка и Бикаром во Франции, Раманом и Натом в Индии, Соколовым в СССР. Интенсивность наибо­лее сильного центрального максимума являлась ярко выраженной функцией амплитуды ультразвуковых волн. Перед второй мировой войной английская фир­ма «Скофони» разработала на этом принципе моду­лятор света и применяла его в телевизионных установ­ках с большим экраном и высокой четкостью.

Г. А. Аскарьяном и другими в. 1963'году было со­общено в печати о генерации звука при поглощении лазерного излучения в жидкости. Приблизительно в это же время подобное явление наблюдал Л. М. Лям-шев. Некоторые исследователи назвали это направ­ление «разнопольных» взаимодействий оптоакустикой.

Механизмы оптического возбуждения звука мно­гообразны. Звук может возникать вследствие погло­щения интенсивного света в среде. Этот механизм связан с релаксационными процессами, изучение ко­торых является предметом молекулярной акустики (заметим, что молекулярная акустика сама по себе представляет обширную область, и отечественные щколы И. Г. Михайлова, В. Ф. Ноздрева и других

97-

4 И. И, Клюкин

имеют большие достижения в этой области). Кроме того, звук может возбуждаться в результате резкого изменения агрегатного состояния среды (испарение, ионизация) вследствие электрострикционного эф­фекта.

Американец Ларсон, исследовавший возбуждение звука в твердых телах при воздействии модулирован­ного лазерного излучения,'установил, что это излуче­ние генерирует в среде сильный звук в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча лазера.

Различными авторами исследовались случаи излу­чения звука при воздействии на вещество мощных тепловых полей, импульсного электрического напря­жения и т. д.

По мере повышения частоты, то есть уменьшения длины волны ультраакустических колебаний звуко­вые волны начинают «замечать» дискретную струк­туру твердых тел — кристаллическую ионную ре­шетку. Здесь становятся плодотворными корпуску­лярные представления. Согласно современной физике, любая волна ведет себя при определенных условиях как частица, и наоборот: любая частица ведет себя при определенных условиях как волна. Один из клас­сиков физики Уильям Брэгг иронически заметил по этому поводу, что каждый физик вынужден считать свет состоящим по понедельникам, средам и пятни­цам из частиц, а остальные дни недели — из волн. А вот что пишет по этому поводу в своей замечатель­ной научно-популярной книге «Глаз и солнце» ака­демик С. И. Вавилов*: «Материя, т.е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами волн и ча­стиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого (курсив С. И. Вавилова — И. /(.). Наши механические понятия не в состоянии полно­стью охватить реальность, для этого не хватает на­глядных образов».

С тех пор последовало много работ, подтверждаю­щих эквивалентность волновой и квантовой механики.

* С. И, Вавилов. Глаз и солнце. Изд. 9-е. М., «Наука», 1976, с. 42.

И хотя отдельные противоречия остаются, квантовая механика позволила сделать выдающиеся откры­тия.

Звуковой волне соответствует частица, которая была названа фононом — квантом звука. Разумеется, полной аналогии здесь нет. Частицы света — фото­ны— элементарны, то есть не состоят из других ча­стиц. Они единообразны, как единообразны электро­магнитные поля, они устойчивы. Параметры фононов не имеют той устойчивости, которая свойственна па­раметрам элементарных частиц. В процессе распро­странения звука изменяется характер упругих коле­баний, волна из поперечной может переходить в про­дольную, поверхностную и т. п. Эти процессы надо рассматривать как превращения фононов в другие виды, то есть следует предположить многообразие фононов.

Несмотря на отсутствие данных о параметрах фо­нонов для различных видов упругих колебаний, вве­дение квантовых представлений в акустику уже при­несло свои плоды. Примером служит создание аку­стической^ мазера, подобного электромагнитному мазеру или лазеру.

Схема и принцип действия фонон-электронного усили­теля высокочастотного звука.

1 — пьезополупроводник; 2 — источник звука; 3—источник света; 4—источник постоянного электрического напряжения.