Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

Аналогичные анализаторы можно использовать для контроля состава самых различных жидких тел. Советские физики построили приборы, позволяющие обнаружить ничтожные изменения скорости звука в жидкостях, исчисляемые тысячными долями процента. Такой прибор позволяет непрерывно контролировать качество воды, идущей для питания паровых котлов, турбин и т. п. Одним из условий нормальной работы ультразвукового анализатора является постоянство температуры исследуемого вещества. Если это требование выполняется, то акустические анализаторы — надежный помощник человека. Они позволяют точно следить за крепостью спирта, контролировать состав литейной массы, так называемого шликера, определять небольшие изменения удельного веса жидкости и т. п.

Человеку часто приходится сталкиваться с необходимостью измерить скорость текущей жидкости. Иногда при этом поток бывает недостижим для непосредственного наблюдения. Бывает и так, что необходимо измерить скорость потока, не нарушая характера течения, не вводя в текущую жидкость измерительных приборов. В настоящее время проектируются атомные котлы или реакторы, в которых для отвода тепла от реакционной зоны используется расплавленный металл — натрий. В одном из подобных проектов скорость движения металла составляет примерно 10 метров в секунду, то есть близка к скорости движения автомобиля. При этом скорость течения металла не должна уменьшаться, иначе может произойти авария. Вот один из примеров потока жидкости, труднодоступного для наблюдения.

Другой пример — движение нефти в глубине нефтяной скважины, далеко отстоящей от поверхности земли. Наконец можно указать на измерение скорости течения крови в кровеносной системе человека или животного и, в частности, в аорте. В этом случае поток жидкости и труднодоступен для наблюдения и нарушать его, вводя какие-либо приборы, нежелательно. В наше время подобные измерения удается производить при помощи ультразвуков. Для этого используется разница скорости распространения звука в текущей жидкости в тех случаях, когда звук распространяется по течению и против течения жидкости. Скорость звука в направлении течения жидкости будет несколько больше, чем скорость звука в противоположном направлении. Здесь мы встречаемся с тем же явлением, какое наблюдается при движении лодки с постоянной скоростью по течению реки и против течения. Измеряя с берега скорость лодки, мы обнаружим, что в первом случае она больше, чем во втором. Происходит это потому, что при движении лодки по течению реки к ее скорости добавляется скорость течения реки, а при движении против течения скорость его вычитается. Если бы истинная скорость движения лодки была известна, то, наблюдая указанную разницу в скоростях, можно было бы определить скорость течения реки.

Для большинства жидкостей скорость звука точно измерена, и именно поэтому звуком можно воспользоваться для определения скоростей потока.

Если жидкость течет по трубе, то, укрепив на внешних стенках трубы две пьезоэлектрические пластинки и делая каждую из них попеременно то излучателем, то приемником ультразвука, можно измерить разницу в скоростях звука в направлении потока и в противоположном направлении, после чего вычисление скорости потока уже не представляет затруднений.

Иногда возможно помещение измерительных приборов непосредственно в поток жидкости, как, например, при изучении морских течений. Сконструированный для этой цели прибор (рис. 59) состоит из торпедообразной камеры, внутри которой помещаются измерительные аппараты. К камере прикреплены излучатель и приемник ультразвуковых сигналов. Стальной трос соединяет камеру с тяжелым барабаном, играющим одновременно роль якоря. Внутри барабана помещаются электрические аккумуляторы, обеспечивающие бесперебойную работу прибора в течение недели. Плавающий по поверхности воды буек указывает местонахождение измерителя. Внутри камеры помещены измеритель скорости звука с автоматической записью показаний, часы с недельным заводом, компас и фотографический аппарат. Специальное реле включает через определенные промежутки времени фотоаппарат, который фиксирует показания компаса и часов, а также прибора, определяющего скорость звука.

После проявления пленки можно составить представление о скоростях и направлении морского течения за неделю. Описанными примерами, конечно, не исчерпываются возможные применения ультразвуковых измерителей скоростей потоков. Эти приборы, несомненно, найдут себе широкое применение в самых различных областях человеческой деятельности.

Ультразвуки широко применяются при определении размеров тел. На рис. 60 изображен сконструированный В. С. Соколовым прибор, позволяющий весьма точно измерять толщину предметов, сделанных из металла, пластмассы, дерева и т. п.

К металлической стенке, толщину которой желательно измерить, прижимается специальный излучатель. Частота излучаемой волны плавно изменяется. Если частота колебаний излучателя равна собственной частоте колебаний стенки или кратна ей, то колебания, совершаемые стенкой, будут особенно интенсивны.

Колебания, совершаемые кварцевой пластинкой, превращаются особым приспособлением в звуковые волны. Это дает возможность определить интенсивность колебаний стенки и на слух. Для каждого материала прибор имеет свою шкалу, градуированную непосредственно в сантиметрах. При параллельных и гладких стенках ошибка в измерении толщины составляет доли процента. Если поверхность неровная, ошибка увеличивается до 2–5 процентов.

Этим прибором можно производить измерения и в том случае, если противоположная излучателю поверхность стенки граничит с жидкостью. Так удается проверять толщину стенок водопроводных труб, не нарушая работы водопровода. Вполне возможно также создание аппарата, который позволит определять толщину накипи на стенке парового котла, не прерывая его работы.

Прибор открывает возможности для измерения так называемой разностенности труб (различия в толщине стенки трубы, измеренной по ее сечению). На рис. 61 изображено сечение стенок трубы, определенное при помощи ультразвукового измерителя толщины.

Ультразвуки позволяют определять неоднородности в стекле, измерять упругие свойства различных сортов стекла. Изучая изменение скорости распространения ультразвуков в твердых телах, можно исследовать превращения, которые в них происходят при изменении температуры или намагниченности тела (в ферромагнитных телах), переходы от одной структуры твердого тела к другой и т. п.