Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

Высокое электрическое напряжение, которое подводится к граням пластинки, иногда вызывает электрический разряд в форме искры, бегущей по краю пластинки. Для того чтобы избежать возникновения искры, пластинку обычно помещают в жидкость с высокими изоляционными свойствами, например в трансформаторное масло.

При мощных колебаниях кварцевой пластинки над поверхностью масла образуется фонтан, как на рис. I, в .

Если же необходимо получить особенно мощный ультразвук, кварцевой пластинке придают форму вогнутого зеркала. Вогнутый излучатель собирает в одну точку, концентрирует звуковую энергию, и в небольшом пространстве удается получить такие мощности, которые трудно себе даже представить (рис. I, г ).

Если силу паровозного гудка принять для сравнения за единицу, то сила ультразвука в той точке, в которой он концентрируется вогнутой кварцевой пластинкой, будет выражаться единицей с девятью нулями, то есть превышать силу паровозного гудка в миллиард раз.

Изменения давления в этой точке составят 120 атмосфер. Однако изготовление подобных излучателей весьма сложно и стоимость их высока.

В приборе Ланжевена вращающийся с постоянной скоростью моторчик подключал через определенные промежутки времени к вибратору высокое электрическое напряжение и заставлял прибор посылать в океан короткий ультразвуковой сигнал.

Теперь оставалось только научиться обнаруживать слабые ультразвуковые эхо-сигналы, которые вернутся, отразившись от какого-либо препятствия.

Талантливый русский физик Петр Николаевич Лебедев использовал для обнаружения неслышимых звуков их способность оказывать давление на предметы, которые встречаются на пути ультразвуковых волн. Это давление очень мало, и для измерения его пользуются специальным чувствительным прибором — ультразвуковым радиометром (рис. 12).

Ультразвуковой радиометр устроен следующим образом: к тончайшей проволочке припаивается перекладинка, несущая с одной стороны легкое слюдяное крылышко. Проволочка натягивается вертикально. Падающая на крылышко ультразвуковая волна оказывает на него давление. Крылышко отклоняется, и проволочка слегка закручивается. Чем сильнее звук, тем больше давление и тем на больший угол отклоняется крылышко.

Для того чтобы следить за поворотом крылышка, к проволочке в том месте, где припаяна перекладина, прикрепляется маленькое зеркало. Если отбросить с помощью этого зеркальца световой зайчик, то самые незначительные повороты крылышка будут вызывать заметные перемещения зайчика. Следя за движениями зайчика, можно по появлению смещения обнаружить ультразвук, а по величине смещения определить его мощность.

Чтобы оградить радиометр от влияния не видимых глазу потоков, которые всегда существуют в воздухе, его помещают в специальную камеру. Ультразвуковые колебания проходят в эту камеру через окошко, заклеенное тончайшей папиросной бумагой.

Хотя радиометром и сейчас пользуются в лабораторных исследованиях, однако для практического применения, которое интересовало Ланжевена, а именно для регистрации ультразвуковых эхо-сигналов, свидетельствующих об обнаружении подводных лодок, радиометр, очень чувствительный к любому сотрясению, не годился, и Ланжевен использовал для этой цели тот же самый излучатель, который посылал на разведку ультразвуковой луч.

Послав сигнал, излучатель автоматически переключался на прием и «слушал», не придет ли эхо. Упавшая на кварцевый вибратор ультразвуковая волна вызывала появление на нем электрических зарядов, которые после усиления с помощью специального прибора могли быть обнаружены. Подобный пьезоэлектрический приемник ультразвука отличается высокой чувствительностью (рис. 13).

Так, настойчивость ученых преодолела многочисленные препятствия. В результате напряженной работы прибор, предназначенный для обнаружения подводных лодок, так называемый ультразвуковой гидролокатор, был создан.

Нужно сказать, что современные ультразвуковые гидролокаторы сильно отличаются от прибора, построенного Ланжевеном; в них в качестве источника ультразвука используются обычно не пьезоэлектрические генераторы, а магнитострикционные. Что же это за генераторы?

Трансформатор является одним из очень распространенных электрических приборов. Простейший трансформатор представляет собой две катушки изолированной проволоки, надетые на общий железный сердечник.

Если по обмотке трансформатора течет переменный ток сравнительно большой силы, то можно часто слышать звук низкого тона, идущий от сердечника трансформатора.

Гудение трансформатора объясняется тем, что некоторые металлы, а также и сплавы обладают способностью при намагничивании изменять свои размеры.

Особенно сильно это свойство, называемое магнитострикцией, проявляется у железа, никеля и у их сплавов. Исключительно велик магнитострикционный эффект у сплава «пермендюр», состоящего из 49 процентов железа, 49 процентов кобальта и 2 процентов ванадия.

Приготовив пакет пластин из магнитострикционного материала со специальными прорезами, служащими для размещения обмотки из изолированной проволоки, и пропустив по проволоке переменный ток, сила которого периодически то возрастает, то убывает, мы заставим пакет попеременно намагничиваться и размагничиваться. Размеры пакета будут при этом периодически изменяться (рис. 14).

При изменении размеров пакета, так же как при колебании кварцевой пластинки, в окружающем воздухе образуются попеременные сжатия и разрежения — возникает звуковая волна. Если частота переменного тока невелика, звук будет слышимым, как это имеет место при гудении трансформаторов. Увеличивая частоту переменного тока, получим ультразвуки. Именно так они и получаются в магнитострикционных генераторах.

Можно заставить совершать магнитострикционные колебания и полый стержень, поместив его в катушку из изолированной проволоки, по которой протекает переменный ток.

Для увеличения размаха колебаний магнитострикционный излучатель, так же как и кварцевую пластинку, заставляют изменять размеры с резонансной частотой.