Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

Немногие отдают себе отчет в том, насколько сложна работа современного завода, современной машины или аппарата. На рис. 58 центральный пульт управления первой в мире атомной электростанции. Десятки приборов зорко следят за работой всех аппаратов и механизмов, начиная от самого простого и кончая самым сложным.

Особенно часто в технике приходится следить за температурой. Поднимется иной раз температура выше, чем следует, и погибнет сложный и дорогой продукт, погибнет труд десятков, а то и сотен людей. Много разнообразных приборов создали ученые для измерения температуры. Среди них и различные термометры, похожие на те «градусники», с помощью которых мы измеряем температуру нашего тела, и весьма сложные оптико-электрические термометры, предназначенные специально для измерения очень высоких температур. И все же, несмотря на обилие приборов, бывают случаи, когда инженер или исследователь становится в тупик, не зная, как измерить температуру, хотя сделать это для него очень важно. С таким положением приходится сталкиваться при изучении работы двигателей внутреннего сгорания, тех двигателей, которые мчат самолеты и автомобили, заставляют теплоходы пересекать моря и океаны, движут по стальным рельсам тяжелые составы.

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.