О неслышимых звуках

Рис. 62. Собирающая ультразвуковая линза

Собираемые линзой ультразвуковые колебания можно значительно усилить, если расположить излучающую кварцевую пластинку на наполненном воздухом барабанчике, а барабанчик затянуть тонкой металлической фольгой. Тогда ультразвуковые колебания будут отражаться от поверхности, граничащей с воздухом, и направляться почти целиком в сторону линзы.

Для изучения преломления ультразвуковых лучей удобно воспользоваться вызываемой ими оптической неоднородностью жидкости, в которой они распространяются. Применяя вместо прерывистого освещения источник света постоянной яркости, мы получим изображение ультразвуковой волны в виде светлого луча. Именно так сфотографирован ультразвуковой луч, создаваемый в жидкости колеблющейся кварцевой пластинкой (рис. 63).

Рис. 63. Параллельный пучок ультразвуковых лучей

Расположив на пути этого луча выпуклую линзу из плексигласа, можно сделать его расходящимся (рис. 64). Наоборот, вогнутая линза соберет его в одну точку (рис. 65).

Рис. 64. Ультразвуковой луч, рассеянный линзой

Рис. 65. Фокусированный луч

Собирая в одну точку распространяющиеся в масле сравнительно слабые ультразвуковые колебания, линза настолько увеличивает их интенсивность, что на поверхности масла возникает высокий фонтан, вытянутый вверх в виде узкой струйки.

По мере уменьшения длины волны ультразвука сходство в поведении ультразвуковых и световых лучей возрастает. Современная ультраакустическая техника дает возможность получать ультразвуковые волны, близкие по длине к волнам видимого света.

С помощью таких ультразвуков удалось осуществить акустическое «изображение» различных предметов. Полученное изображение можно при желании увеличить. Эти-то свойства ультразвука и были использованы при устройстве ультразвукового микроскопа.

Как устроен ультразвуковой микроскоп

На рис. 66 рассматриваемый предмет — изогнутая проволочка 2 — помещен в ванну, наполненную жидкостью. На него падает пучок коротких ультразвуковых волн, посылаемых кварцевой пластинкой 1. Отраженные ультразвуковые колебания фокусируются акустической линзой 3, и на приемной кварцевой пластинке 4 получается изображение предмета. При акустическом изображении светлым участкам оптического изображения будут соответствовать участки, на которые падают наиболее интенсивные ультразвуковые колебания, оказывающие на пластинку большее давление, сильнее воздействующие на нее.

Рис. 66. Схема действия ультразвукового микроскопа

Теперь задача заключается в том, чтобы превратить скрытое акустическое изображение в видимое. Это удается осуществить, воспользовавшись зависимостью электрических свойств кварцевой пластинки от давления. В результате давления на приемной пластинке возникают электрические заряды. Чем больше интенсивность падающих на пластинку ультразвуковых колебаний, тем больше воздействие их на нее, а следовательно, тем сильнее возникающий электрический заряд. Распределение электрических зарядов на пластинке будет соответствовать тому самому изображению рассматриваемого предмета, которое и надо сделать видимым.

Приемная пластинка 4 служит дном катодной трубки 5. Узкий пучок катодных лучей падает на внутреннюю поверхность приемной пластинки и выбивает из нее так называемые вторичные электроны. Выбитые электроны собираются на специальном электроде 6. Число выбитых электронов из какой-либо точки приемной пластинки зависит от ее заряда в этой точке. Если катодный луч будет двигаться по поверхности пластинки, он будет попадать на участки, различающиеся зарядом, и, следовательно, выбивать разное количество вторичных электронов. Выбитые электроны, двигаясь внутри трубки, создают электрический ток переменной силы. Сила тока изменяется в зависимости от положения катодного луча на приемной пластинке и распределения зарядов на ней, то есть от того, какое получено на ней ультразвуковое изображение.

Катодный луч заставляют прочертить полосу за полосой всю поверхность пластинки.

Начав движение в точке А (рис. 67), катодный луч бежит вдоль строки и, добежав до ее конца, очень быстро перескакивает в начальную точку следующей строки, расположенной чуть ниже, чем первая, и движется с прежней скоростью до края пластинки. Путешествуя так, луч прочерчивает за 1 секунду 20–30 строк. Когда луч прочертит весь квадрат, изображенный на рисунке, он перескакивает вновь в точку А, и движение его повторяется.