Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

На первый взгляд, задача как будто бы не сложна: ведь изменения температуры в двигателе не очень велики. При поступлении горючей смеси в цилиндр двигателя она имеет примерно комнатную температуру, а после сгорания ее температура поднимается до двух с небольшим тысяч градусов. Однако всем обычным приборам для измерения температуры свойствен общий недостаток, делающий их непригодными для того, чтобы следить за изменением температуры в двигателе.

Измеряя температуру тела, вы держите термометр под мышкой 5 или 10 минут. Почему необходимо держать термометр так долго и что произойдет, если его вынуть через полминуты или даже через минуту? Легко убедиться, что обычный термометр в этом случае вообще ничего не покажет: ртуть не успеет подняться до нижней отметки термометра. Пять или десять минут, которые мы держим термометр, необходимы для того, чтобы его температура сравнялась с температурой нашего тела.

Можно построить приборы, в которых температура будет выравниваться гораздо быстрее, но все же они будут непригодны для измерения температур в цилиндрах двигателя. Дело в том, что в двигателе изменение температуры происходит в ничтожные доли секунды, так что скорость ее изменения достигает десятков тысяч градусов в секунду, и не существует такого термометра, который успел бы зафиксировать эти изменения.

Совершенно естественно, у физиков возникла мысль воспользоваться для определения температуры в двигателе изменением каких-либо свойств тех самых газов, которые наполняют его цилиндр.

Как мы знаем, скорость звука в газе зависит от температуры. Определить скорость звука можно очень быстро. Если измерить время, необходимое для того, чтобы звуковой сигнал прошел в газе небольшое расстояние, скажем, сантиметр или два сантиметра, то поскольку скорость звука велика, это определение займет всего несколько стотысячных долей секунды. Зная же время, которое требуется звуку для того, чтобы пройти в газе данное расстояние, и состав газа, можно точно определить его температуру, воспользовавшись для этого зависимостью между температурой газа и скоростью звука в нем. Осуществить эту простую идею удалось, однако, только недавно.

Для измерения скорости звука в специальную камеру, примыкающую к цилиндру двигателя и содержащую те же газы, что и цилиндр, вводят два медных стержня, расположенных один против другого. Между концами стержней оставляют небольшой зазор. По одному из стержней в камеру направляют короткие ультразвуковые сигналы. Пройдя наполненный газом зазор, ультразвуковые сигналы попадают во второй стержень и через него в специальный приемник. Сложное электрическое устройство точно определяет промежуток времени, необходимый для того, чтобы сигнал прошел через газ. Чем больше температура газа, тем скорее движутся ультразвуковые сигналы и тем короче этот промежуток. Производя подобные измерения, можно вычислить температуру газа. Момент посылки сигналов регулируется специальным механизмом, соединенным с валом двигателя, так что они направляются на разведку при каком-либо определенном положении вала. Меняя положение вала, при котором посылается сигнал, можно проследить, как возрастает или уменьшается температура в процессе работы двигателя. Многократное измерение температур в работающем двигателе убедило инженеров в том, что с помощью ультразвуков можно получить надежные сведения о работе двигателя.

Рассмотренный только что пример подводит нас к другому очень интересному применению ультразвуков.

Скорость звука в каком-либо газе, помимо температуры, зависит от его состава. Если же температуру искусственно поддерживать постоянной, то скорость звука будет зависеть только от состава газа. Мысль использовать звуки для устройства аппарата, автоматически контролирующего состав газовой смеси, зародилась давно, и уже десятки лет тому назад такие аппараты, правда примитивные и не очень точные, применялись в некоторых отраслях химической промышленности. Совершенные же приборы, использующие звуковые измерения для контроля за составом газа, так называемые акустические газоанализаторы, удалось построить только в последние годы.

Главной частью звуковых и ультразвуковых газоанализаторов является акустическая камера, располагаемая обычно в отводе от основного потока газа, состав которого контролируется. В одном из существующих газоанализаторов в противоположных концах камеры располагаются излучатель и приемник ультразвуковых сигналов. Специальный прибор точно определяет время, которое требуется сигналу для того, чтобы дойти от излучателя до приемника. В зависимости от этого времени по шкале прибора перемещается светящийся зайчик. Если изменяется состав газовой смеси, то изменяется время прохождения сигнала и зайчик перемещается в новое положение.

Собственно говоря, такой прибор позволяет следить за составом газовой смеси, состоящей только из двух газов, или, точнее, за составом газовой смеси, в которой изменяется содержание только одной из составных частей, например за присутствием в воздухе болотного газа, или, как его называют химики, метана. Поэтому шкалу прибора можно прокалибровать непосредственно в процентах того газа, содержание которого определяется.

Для успешной работы аппарата необходимо, однако, чтобы молекулы обнаруживаемой примеси отличались по весу от среднего веса молекул основной части газовой смеси. К сожалению, мы не всегда встречаемся с таким положением. Напротив, существуют очень различные по своим свойствам газы, молекулы которых имеют практически один и тот же вес и в которых скорость звука поэтому будет одна и та же. Примером могут служить азот и угарный газ, или окись углерода. По своим химическим свойствам это совершенно различные вещества, однако обнаружить присутствие одного из них в другом с помощью ультразвукового газоанализатора невозможно — скорость звука в обоих одна и та же.

Некоторые газоанализаторы устроены иначе. В этих приборах наполненную исследуемым газом акустическую камеру заставляют совершать колебания. Частота колебаний, так же как скорость звука, зависит от состава газа, наполняющего камеру. Мы располагаем возможностью чрезвычайно точно измерять частоту колебаний, и потому подобный прибор оказывается очень чувствительным к изменениям в составе газа.

Звуковой газоанализатор можно расположить в одном помещении, а вести наблюдения за составом газа — в другом, отстоящем от первого на значительное расстояние. Иногда это является большим преимуществом акустического газоанализатора по сравнению с другими приборами. Кроме того, ультразвуковые сигналы практически мгновенно реагируют на изменение в составе газовой смеси. При желании акустический анализатор можно снабдить автоматическим приспособлением, включающим в случае нежелательного изменения состава газовой смеси звуковую или световую сигнализацию.