Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

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.

Измерив длину испытуемого образца, легко вычислить скорость звука, а зная последнюю, можно найти модуль упругости данного вещества.

Для той же цели часто пользуются и другим способом.

Испытуемый образец — длинный стерженек — зажимают в особом штативе, как изображено на рис. 57. К нижней части стерженька подводят возбудитель звуковых колебаний переменной частоты.

Под влиянием возбудителя стерженек начинает колебаться. Расположив в верхней части специальный приемник и соединив его через усилитель с осциллографом, следят за возникшими колебаниями.

Плавно изменяя частоту колебаний возбудителя, мы заметим, что интенсивность колебаний стерженька будет изменяться. При совершенно определенной для данного образца частоте его колебания будут наиболее мощными. Эта частота, как мы знаем, будет резонансной частотой, или частотой собственных колебаний.

При резонансной частоте амплитуда колебаний на экране осциллографа делается максимальной.

Определив частоту собственных колебаний тела и зная его форму и размеры, можно вычислить скорость звука в нем и упругие характеристики материала.

Если из исследуемого вещества трудно или невозможно приготовить длинный стерженек, то можно сделать коротенький и приклеить его к длинному стержню из другого материала. Определив частоту собственных колебаний склеенного образца и зная упругие свойства материала, из которого сделан длинный стержень, можно найти скорость звука и в исследуемом коротком стерженьке. Таким способом можно узнать скорость звука в самых различных материалах и, следовательно, определить их упругие свойства.

В настоящее время акустические способы особенно широко применяются при изучении упругих свойств различных сортов каучука и пластических масс.

Объясняется это тем, что упругие свойства этих материалов зависят от того, с какой скоростью мы их сжимаем или растягиваем.

Когда автомобиль едет по гладкому шоссе, резина, из которой сделаны шины, сжимается быстрее или медленнее в зависимости от скорости движения. При этом упругие свойства шин могут изменяться. Это означает, что упругость шины зависит от скорости движения автомобиля. Материал, обладающий прекрасными свойствами при малых скоростях, может оказаться непригодным при больших скоростях. Огромное значение для практических целей имеет поэтому установление связи между упругими свойствами вещества и скоростью изменения формы, то есть скоростью, с которой происходит сжатие или растяжение образца. В исследованиях подобного рода на помощь снова привлекают ультразвук. Производя измерения скорости ультразвука при разных частотах, можно найти искомую зависимость.