О неслышимых звуках - [35]
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.
Пользуясь ультравискосоном, можно измерять вязкость в очень широких пределах: начиная от вязкости легко текучих жидкостей и кончая жидкостями очень вязкими. Для измерения достаточно совсем небольшого количества жидкости — всего 2 кубических сантиметра. Исследование можно производить при разных температурах, начиная от -123 до +342 градусов. При желании зонд можно закрепить внутри котла, содержащего изучаемую жидкость. Нет сомнения в том, что подобные приборы найдут себе широкое применение в различных отраслях химической промышленности.
Как известно, твердые, жидкие и газообразные тела в большей или меньшей степени оказывают сопротивление попыткам изменить их объем. Это свойство тел называют объемной упругостью. Твердые тела, кроме того, сопротивляются изменению формы. Они обладают упругостью формы. Для того чтобы количественно охарактеризовать упругие свойства твердых тел, вводят особые величины, называемые модулями упругости.
Особенно часто пользуются так называемым модулем Юнга. Модуль Юнга определяется той силой, которую надо приложить к концу стерженька с сечением, равным единице, для того чтобы растянуть его в два раза.
Зная величину модуля Юнга, можно, не производя опыта, указать, насколько изменится форма какой-либо детали под действием нагрузки, насколько деталь сопротивляется действию силы.
Но растянуть твердое тело вдвое нельзя, поэтому модуль Юнга приходится вычислять, наблюдая небольшие изменения длины, вызываемые приложенной силой.
Так, например, стальная проволока сечением в 1 квадратный миллиметр и длиною в 1 метр удлинится под действием нагрузки в 10 килограммов приблизительно на полмиллиметра, то есть на одну двухтысячную часть своей длины. Для того чтобы удлинить эту проволоку вдвое, надо было бы приложить силу в две тысячи раз большую — 20 тысяч килограммов. Следовательно, модуль Юнга для стали приблизительно равен 20 тысячам килограммов на квадратный миллиметр.
Непосредственным опытом определить модуль Юнга иногда бывает затруднительно, особенно, если испытуемое вещество представляет собой небольшие кристаллики. Поэтому при изучении упругих свойств различных веществ часто применяют косвенные определения, используя зависимость, существующую между упругостью вещества и скоростью звука в нем.
Зная скорость звука и плотность вещества, можно вычислить модуль Юнга.
Для определения скорости звука в твердых телах разработано несколько способов. Если в испытуемый образец, имеющий форму стерженька, послать короткий ультразвуковой импульс, то он, пробежав по стерженьку и отразившись от противоположной грани, возвратится к пославшему его излучателю. Так же как в дефектоскопе, посланный и отраженный сигналы делаются видимыми. При малом затухании ультразвука на экране осциллографа будет наблюдаться многократное ультразвуковое эхо. На рис. III, г изображено подобное многократное отражение ультразвуковых волн в пластинке кварца при частоте 100 миллионов колебаний в секунду. Определив расстояние между изгибами лучей, соответствующими посланному и отраженному сигналам, узнаем время, которое потребовалось ультразвуку для того, чтобы достигнуть противоположной грани и вернуться обратно.
