Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

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.

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.