способ определения возраста колокола

Формула изобретения

Способ определения возраста колокола, отличающийся тем, что снимают скорость звука в материале колокола, затем колокол помещают в газостат, обжимают при давлении 1000-2000 атм, затем снова снимают скорость звука в обжатом материале колокола, а возраст колокола определяют, используя следующую математическую зависимость:



где Т - возраст, в годах;

С_зв1 - значение скорости звука в материале колокола до помещения колокола в газостат, м/с;

С_зв2 - значение скорости звука в материале колокола после помещения колокола в газостат, м/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к кампанологии (колоколоведению - науке о колоколах) и имеет целью определение возраста наиболее ценных для истории колоколов.

Известно, что до последнего времени этот возраст определяли по совокупности косвенных признаков: надписи, профиль и материал колокола, декорации и т.д. Однако в некоторых случаях этот методы атрибуции не дают однозначного результата (Зуев М.И., «Надписи на псковских колоколах как памятники эпиграфии и исторический источник». Псков. Памяти Юрия Павловича Спегальского, 1909-1969, Псков, 1999, стр.156-166; Гордеев В.А. Два новгородских колокола XVI века из собрания Музея-заповедника «Коломенское», сборник «Искусство христианского мира». Москва, Московский рабочий, 1950, стр.190-217).

Задачей изобретения является определение возраста колокола с большей точностью.

Поставленная задача решается предлагаемым способом определения возраста колокола, заключающемся в том, что снимают скорость звука в материале колокола, затем колокол помещают в газостат (если позволяют размеры колокола), обжимают при давлении 1000-2000 атмосфер, затем снова снимают скорость звука в обжатом материале колокола, а возраст колокола определяют, используя следующую математическую зависимость:

где Т - возраст, в годах;

С_зв1 - значение скорости звука в материале колокола до помещения колокола в газостат, м/сек;

С _зв2 - значение скорости звука в материале колокола после помещения колокола в газостат, м/сек.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно исследование акустических данных, проведенные в 1884 году Аристархом Израилевым («Ростовские колокола и звоны, СПб., 1884 г.)». Он привел в своей книге частоты колебаний (унтертонов) колоколов с точностью до сотых долей Герца. Вновь полученные характеристики, полученные Колокольным центром, отличались от прежних. Для снятия характеристик Колокольный центр применял полупрофессиональную аппаратуру с достаточно высоким качеством, подтвержденным многократными измерениями. Звучание колоколов записывалось на лазерный минимагнитофон «Сони» с использованием электретного конденсаторного микрофона фирмы «Реалистик» (США), а расшифровка звука происходила с помощью американской компьютерной программы «Спектра-Плюс» (частота определялась с точностью до одной сотой Герца).

Одновременно измерялась продольная скорость звука вдоль поверхности колокола отечественным ультразвуковым тестером УК1401 фирмы «Акустические контрольные системы» (точность измерения 1 м/с).

Результаты измерений сведены в таблицу № 1.

Акустические характеристики ростовских колоколов
Название колокола, когда и кто лил	Вес	Диаметр на срезе	Унтертон в 1884 г.	Унтертон в 1999 г	Разница унтертонов	Скорость звука
"Сысой" 1688 год Флор Терентьев	32760 кг * 2000 п.	3630 мм	65,46 Гц Доб+1	57,43 Гц #Ляк-26	-8,03 Гц - 227 ц	1960 м/с
"Полиелейный" 1683 год Ф. и К.Андреевы	16380 кг* 1000 п.	2860 мм	81,64 Гц Миб - 17	71,99 Гц Реб - 35	-9,65 Гц -168 ц	1950 м/с
"Лебедь" 1682 год Филипп Андреев	8190 кг* 500 п.	2270 мм	98,00 Гц Сольб+0	90,22 Гц #Фаб - 44	-7,78 Гц - 144 ц	1965 м/с

Эти показатели позволили сделать сравнительный анализ полученных данных. Колокольная бронза, являясь сплавом меди и олова, "стареет" со временем. Старение - это изменение физико-химических и механических свойств и структуры материалов со временем. Старению подвержены все сплавы. Оно может быть естественное в процессе эксплуатации и длительного хранения или искусственное при определенных режимах нагрева и охлаждения. Этот сплав имеет кристаллическую структуру и представляет собой твердую медь, в которой застыли интерметаллические кристаллы различных фаз, среди которых наиболее важным и отвечающим за звучание является интерметаллид Cu₃₁Sn₈ , который находится в неравновесном состоянии при нормальных условиях. Между поверхностью этих кристаллов и медью всегда существуют микрозазоры (несплошности), которые в результате напряженного состояния колокола увеличиваются со временем как по ширине, так и по длине. Этот процесс постоянен и зависит от качества исходного материала и условий эксплуатации.

Предлагаемый способ учитывает эффект естественного старения сплавов (в частности, к ним относятся и основные колокольные материалы - оловянистая бронза и чугун) в результате следующих факторов:

1. Увеличения межкристаллических зазоров и внутренних трещин, то есть материал становится как бы более рыхлым.

2. Распад в колокольной бронзе кристаллической -фазы (интерметалида Cu₃₁Sn₈) в результате неравновесного состояния и замены в данном кристалле атомов олова атомами других металлов-примесей (например, цинка).

Все это со временем изменяет прочностные и физические свойства сплава (модуль Юнга, коэффициент затухания, плотность и т.д.), что, в свою очередь, влияет на акустические характеристики металла, в том числе на уменьшение скорости звука в металле.

В результате экспериментов на колоколах звонницы Ростовского кремля и московского Колокольного центра было определено, что скорость звука в процессе старения уменьшается примерно на коэффициент 1,06 за 100 лет эксплуатации.

В способе возраст колокола определяли с учетом следующей математической зависимости:

где Т - возраст, в годах;

С_зв1 - первоначальное значение скорости звука после литья, м/сек;

С_зв2 - сегодняшнее значение скорости звука, м/сек.

Первоначальное значение скорости звука в колоколе определяют путем снятия непосредственно частотных характеристик после обжатия колокола в термостате (если позволяют размеры колокола) в нейтральной атмосфере при давлениях 1000 и более атмосфер. При этом между поверхностью кристаллов и медью сглаживаются существующие микрозазоры (несплошности) и восстанавливается первоначальная кристаллическая структура колокола.

Также первоначальное значение скорости звука материала колокола можно определить путем использования специально отлитых образцов аналогичного химического состава колокольной бронзы или воспользоваться данными в технических справочниках.

Для измерения скорости ультразвука, которая бывает продольной, поперечной и поверхностной, используют различные отечественные приборы УД-12М, УД2-70, ИК-1401 и др.

Определение возраста колокола проводили следующим образом. Измеряли поверхностную скорость звука в материале колокола с помощью ультразвукового тестера УК1401. Затем помещали колокол в газостат, прикладывали давление и обжимали колокол при 1000-2000 атмосфер. Затем снова снимали звуковые характеристики. Если размеры колокола не позволяли применить газостат, то использовали литой образец классического состава: 80% меди + 20% олова. Полученные результаты использовали для вычисления возраста колокола по математической зависимости (1). Первоначальное значение скорости звука материала колокола определяют путем использования специально отлитых образцов аналогичного химического состава колокольной бронзы или используют данные из технических справочников.

Сущность изобретения характеризуется следующими примерами.

Пример 1. Колокол 6 пудов (99 кг) завода Оловянишниковых (г.Ярославль), XIX век. Определили скорость звука в материале колокола прибором УК1401, она составляет С_зв2=2230 м/с. Затем помещали колокол в газостат и обжимали при давлении 1500 атм. Измеряли скорость звука в материале колокола С_зв1=2400 м/с. Подставляя в формулу 1 следующие параметры: С_зв1=2400 м/с; С_зв2=2230 м/с, получим возраст колокола Т=130 лет.

Пример 2. Колокол «Полиелейный». Определили скорость звука в материале колокола прибором УК1401, она составляет С_зв2=1980 м/с. Затем отливали специальный образец с химическим составом данного колокола (80% меди + 20% олова) и измеряли скорость звука в материале колокола С_зв1 =2350 м/с. Подставляя в формулу 1 следующие параметры: С _зв1=2350 м/с; С_зв2=1950 м/с, получим возраст колокола Т=320 лет (ошибка 4 года, или 3%).

Пример 3. Аналогично примеру 2, колокол «Голодарь». Подставляя в формулу 1 следующие параметры: С_зв1=2350 м/с; С _зв2=2150 м/с, получим возраст колокола Т=150 лет (ошибка 7 лет, или 5%).

Таким образом, предлагаемый способ определения возраста колокола позволяет определить возраст с большей точностью. Точность способа находится в пределах 20-25 лет.