Текст книги "Звук за работой"
Автор книги: Александр Коробко-Стефанов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 6 страниц)
Мастер на все руки
Все многообразие технических усовершенствований создается по мере глубокого изучения различных свойств ультразвука и возможного сочетания их с другими, уже изученными явлениями природы. Вот, например, так называемый ультразвуковой фонтан. Представьте себе сосуд с минеральным маслом, на дне которого расположен излучатель ультразвука.
Ультразвуковой фонтан
Колебания излучателя передаются окружающей его жидкости – в ней распространяются ультразвуковые волны. Достигая поверхности жидкости, они создают при малых амплитудах зыбь. При достаточно больших амплитудах, когда силы поверхностного натяжения жидкости оказываются меньше сил упругости, поверхность жидкости над пластинкой, излучающей ультразвук, разрушается и образуется фонтан. Высота такого ультразвукового фонтана достигает нескольких десятков сантиметров.
Это явление широко используется. Всем хорошо известно, что ртуть и вода в обычных условиях не перемешиваются. Нальем их в пробирку. Ртуть будет внизу, а над ее выпуклой поверхностью будет находиться вода.
Если теперь пробирку, в которой налиты ртуть и вода, поместить в фонтан или опустить в жидкость над излучателем, то через некоторое время обе жидкости в пробирке перемешаются, образуя так называемую эмульсию.
Широко распространенной и хорошо всем известной эмульсией является молоко – перемешанные вода и жир.
При помощи ультразвука можно получать различные эмульсии, смешивая самые разнообразные жидкости.
Это обстоятельство позволило фармацевтической промышленности, изготавливающей лекарства, воспользоваться ультразвуком для получения хорошо раздробленных смесей, нерастворимых друг в друге жидких веществ.
Вот на столе стоит банка майонеза. В изготовлении этой острой приправы самое активное участие принял ультразвук. Он же помогает приготовить маргарин. А фотоэмульсии? Чем меньше частицы эмульсии, тем фотоматериал лучше, допускает большие увеличения. И опять здесь помогает ультразвук.
Изготовлено с помощью ультразвука
Способность измельчать нерастворимые друг в друге вещества, превращая их в однородную смесь, оказалась обратимой. Если, например, воздух, засоренный копотью, пылью и дымом, подвергнуть действию ультразвука, то под действием ультразвука происходит объединение большого числа мелких частичек в крупные, которые затем легко оседают. Такой процесс называется коагуляцией.
Этим свойством ультразвука воспользовались для очистки воздуха от пыли и дыма в местах большого скопления промышленных предприятий.
Хотя уяснить сущность биологического действия ультразвука удалось не сразу, но его начали использовать для уничтожения бактерий и микробов, содержащихся в жидкостях.
Если посадочный материал обработан ультразвуком, то улучшается произрастание семян растений и повышается урожайность.
Ультразвук оказывает гибельное действие на различного рода личинки. Так, например, уничтожают личинок малярийных комаров в болотах. Ультразвуком стирают белье! Не удивляйтесь, именно стирают. Пыль и грязь, скопившиеся в тканях, не выдерживают высокочастотных колебаний, их выбивает из одежды. А это и есть Стирка, только без воды и мыла. Но тем же ультразвуком можно окрашивать ткань. Это, видимо, скоро найдет самое широкое применение в текстильной промышленности. Окраска получается устойчивой и очень качественной.
Ультразвуковая стиральная машина
Область применения ультразвука особенно расширилась после того, как открыли интереснейшее явление, называемое кавитацией.
С некоторых пор механики обнаружили, что гребные винты на быстроходных морских судах портятся слишком быстро. После непродолжительного срока службы хорошо отполированные, не подвергающиеся ржавчине винты кораблей оказывались изъеденными рябью, подобно земле, израненной разрывами снарядов. Винты имели такой вид, как если бы их поверхность разъел червь. Аналогичное явление наблюдали и на лопастях гидротурбин. Этим вопросом стали заниматься всерьез. Нужно было во что бы то ни стало устранить губительное разрушение поверхности лопастей корабельных винтов и турбин, движущихся с большими скоростями.
Причину удалось установить лишь после того, как было обнаружено, что аналогичному разрушению подвергается поверхность излучателя ультразвуковых колебаний, помещенного в жидкость. Причины этого должны быть скрыты в мощных упругих колебаниях, распространяющихся в жидкости.
Посмотрим, что там происходит.
При распространении колебаний в момент сжатия возникают большие давления. В следующий за сжатием момент разрежения из-за больших скоростей движения частиц в жидкости возникают разрывы. В образующиеся пустоты и устремляются пузырьки воздуха, а вместе с ними и пары жидкости. Когда вновь наступает сжатие, внутри жидкости развиваются колоссальные давления. Этот-то процесс и называется кавитацией. Если такой процесс протекает вблизи металлической поверхности, то под действием кавитационных импульсов давления происходит разрушение поверхности металла. Так разрушается металлическое покрытие ультразвуковых излучателей.
А лопасти винтов и турбин? Что происходит там?
Дело заключается в том, что при быстрых движениях лопастей также возникают ультразвуковые колебания большой мощности. Поэтому в жидкости появляется кавитация и наблюдается разрушение поверхности винтов и турбин. Для ультразвуковых излучателей момент начала кавитации является пределом излучаемой мощности, а для гребных винтов и лопастей турбин – пределом скорости движения.
Вредное, разрушительное действие кавитации остроумно использовано в повседневной производственной деятельности человека.
Всем хорошо известно, что алюминий очень трудно паять. Трудность заключается в том, что поверхность всех металлов всегда покрыта пленкой окиси. Перед пайкой ее необходимо удалить. Обычно это осуществляют зачисткой, а в момент пайки зачищенное место закрывают веществом, которое предохраняет металл от окисления при нагреве.
Предохраняющие вещества называются флюсами. Таким материалом является, например, канифоль. Все радиолюбители знают, что без нее паять трудно. А сам паяльник предварительно нужно залудить.
Обычные методы пайки для алюминия непригодны. Пленка окиси хотя и не очень прочна, но окисление происходит при самых обычных, комнатных температурах. Поэтому стоит только удалить пленку, как она вновь появляется. Приходится идти на хитрость. Зачистку алюминия производят под флюсом, который одновременно является и припоем. Затем к нанесенному на поверхность алюминия припою напаивают основной металл. Такой процесс пайки труден и ненадежен.
Если воспользоваться явлением кавитации, то пайка осуществляется легко и надежно. Для этого достаточно в жидком припое создать мощные ультразвуковые колебания. Окисленной пленки как не бывало, и припой надежно соединяет алюминий с другим металлом. Пайка алюминия – лишь один из примеров использования явления кавитации. Но этот пример весьма поучителен. Разрушительное действие кавитации обращено здесь на пользу человеку. Использовать явление кавитации удается и в целом ряде других случаев, например при обработке прочных материалов, которые с большим трудом и ненадежно обрабатываются обычным методом.
Явление кавитации, если его разумно направить, открывает широкое поле деятельности для изобретателей и новаторов производства. Кавитация позволяет экономить инструмент и время при обработке различных материалов. Например, необходимо вычистить загрязненное и к тому же заржавленное зубчатое колесо. Если действовать обычными методами, то придется очень долго очищать каждый квадратный сантиметр его поверхности.
Но процесс очистки происходит почти мгновенно, если погрузить колесо в ванну с жидкостью, где созданы мощные ультразвуковые колебания.
Тысячи разрывающихся воздушных пузырьков молниеносно снимут ржавчину и сразу очистят поверхность всех зубьев. А руками пришлось бы чистить по очереди каждый зуб – сколько бы это отняло времени!
Чистка загрязненной поверхности деталей – весьма простая работа для ультразвука. При его помощи можно решать и весьма сложные технические задачи. Вот, например, как ультразвуком проделывают отверстия в твердых сплавах. Изготавливают резец нужной формы и соединяют с излучателем ультразвуковых колебаний. Совершая колебания, резец ударяет в поверхность металла более десятка тысяч раз в секунду. Пока что металл не уступает. Его поверхность по-прежнему тверда; скорей иступится резец, чем в металле будет проделано хотя бы незначительное углубление. Но стоит только смочить металл и добавить абразив, как сразу же картина резко меняется – резец начнет погружаться в металл, как будто перед ним глина. Это происходит потому, что в жидкости, которой смочен металл, возникает кавитация.
Частицы абразива разрыхляют поверхность металла, и резец без труда погружается в него, проделывая отверстие. Качество работы при этом безукоризненное, дополнительной обработки не требуется. Точно таким же образом можно разрезать твердые или очень хрупкие тела – без брака и излишнего отхода материалов.
Особую сложность представляют фрезерные работы. Ультразвук успешно справляется и с ними.
Ультразвуковая обработка экономит время, необходимое для изготовления детали, экономит материал и инструмент, увеличивает производительность труда, изменяет и упрощает кинематику производства.
Одно из интересных свойств ультразвука позволило ему прочно обосноваться в промышленности строительных материалов.
Оказалось, что при помощи высокочастотных колебаний можно проверять качество бетонных сооружений. Если при кладке бетона он был недостаточно уплотнен, внутри образуются раковины – воздушные полости. Их можно обнаружить при помощи ультразвука, прозвучивая сооружение специальным ультразвуковым дефектоскопом.
Просвечивание ультразвуком
Этот прибор позволяет определить размер раковины и глубину ее залегания. Кроме того, выяснили, что скорость распространения ультразвуковых волн по мере созревания бетона увеличивается. Появилась возможность оценивать различные бетонные сооружения.
Бетон не сразу приобретает прочность. При укладке он жидкий, а затем мало-помалу твердеет, пока не превращается в прочный массив. Этот процесс и называется созреванием бетона. Скорость ультразвука в бетоне на разных стадиях созревания различна, поэтому, измеряя ее, можно судить о процессе созревания.
Особая ценность ультразвукового контроля в том, что не требуется разрушать конструкцию из бетона для суждения о ее прочности. До применения ультразвука проверка прочности требовала разрушения специально изготовленных образцов. А это значит, что в конечном счете судили о прочности разрушенного образца, а не настоящего изделия. Ультразвук можно использовать и для повышения качества изготовления различных строительных материалов.
Для цементной, керамической и асбестовой промышленности очень важно получить мелкое зерно строительных материалов, так как от этого зависит прочность изготавливаемых изделий. Размол механическими приспособлениями не позволяет получать очень мелкие частицы. Но если, например, дробить их ультразвуком с частотой 450 тысяч герц, то размеры образующихся при этом частичек не превышают 12 микрон. Такой тонкий размол строительного материала весьма благоприятно сказывается на качестве изделий.
Мы, конечно, не могли рассказать всего об использовании ультразвука. Области его применения настолько широки, что о них можно написать очень много таких книжек. А жизнь идет вперед, каждый день приносит нам нечто новое. И много еще полезного принесет человечеству мир неслышимых звуков.
«Голос моря»
Во вторую мировую войну между флотом союзников и немецкими кораблями разгорелась битва в океане.
На всех побережьях стояли станции подслушивания, на которых специальные приборы были наготове, чтобы в случае опасности предупредить командование о приближении вражеского флота.
И вот однажды была поднята тревога на американском побережье Атлантики. Шум моря, докладывал оператор, не прекращается в течение суток. Но в разное время он то усиливается, то слабеет. Это значит, что в море все время создаются ультразвуковые волны. Если эти ультразвуковые волны создаются винтами подводных лодок и надводных кораблей, то к побережью движется несметный флот противника. Воздушная разведка, однако, не находила кораблей противника, а лишь обнаружила огромное скопление планктона – маленьких рачков, которыми питаются киты. Их, видимо, течением принесло к этому участку. Как выяснили ученые, они-то и создавали ультразвуковые волны, потирая одной лапкой о другую. Тревога была напрасной…
Но наряду с этими неслышимыми звуками в море были обнаружены звуки музыкальных частот.
Морских певцов вскоре обнаружили. Это были… рыбы, те самые немые рыбы, о которых сложили поговорки. Голоса рыб были записаны, и под каждой записью указали имя певца: жаба-рыба, морской петух, рыба-свинка, рыба-квакун, горбыль-пятно и рыба-кошка.
Теперь нельзя пользоваться выражением, когда дают клятву хранить молчание, «нем как рыба». Рыбы, оказывается, имеют голос.
Звуки голосов рыб в основном музыкальные.
Например, звук рыбы-квакун очень похож на звук боцманской «дудки».
Если морских певцов окажется много, то они, возможно, могут устроить настоящий концерт.
Но мир звуков моря не ограничивается ультразвуками планктона и музыкальными звуками рыб. Само море также издает звуки, но их частота меньше 16 герц, они неслышимы, – это инфразвуки…
Инфразвук, создаваемый морем, и называют «голос моря». Впервые его услышали не физики, изучающие море, а физики-аэрологи, которые занимаются верхними слоями атмосферы.
Было это в 1936 году на советском Севере, на гидрографическом судне «Таймыр», где проводилось изучение моря и верхних слоев атмосферы.
Для изучения температуры, влажности и давления в верхних слоях атмосферы аэрологи пользуются радиозондом.
Это резиновый шар, наполненный водородом. К шару прикреплена корзинка, в ней находятся измерительные приборы и радиопередатчик, который передаст результаты измерений на землю.
Аэрологи, как рассказал советский ученый Вл. Березкин, заметили, что, когда такой шар находился вблизи уха, там ощущалась слабая тупая боль. Как будто кто-то давил на барабанную перепонку.
Этим странным явлением заинтересовались все члены экспедиции на судне «Таймыр». Каждый по очереди подносил к уху шар, наполненный водородом, и с удивлением чувствовал неприятное давление. Академик В. В. Шутейкин повторил эти наблюдения в Москве, во время запуска радиозондов, но ничего не обнаружил. Никакой боли не ощущалось. Тогда решили, что причиной возникновения этой странной боли было море. Ведь все наблюдения на «Таймыре» проводились во время плавания.
Аналогичные опыты решили произвести на юге, у Черного моря. Но вместо водорода шар наполнили воздухом. Сколько ни подносили шар к уху, боль не обнаруживалась. Но стоило только заменить воздух водородом– и сразу же наблюдения, сделанные во время плавания «Таймыра», подтвердились. Значит, явление возникало только в шаре, наполненном водородом, и притом вблизи моря.
Что же может создавать боль в ушах?
Она может появиться лишь при наличии дополнительного давления, величина которого изменяется. Но так как мы не слышим этих изменений, то значит, колебания акустического давления либо выше 16 тысяч герц, либо меньше 16. Если бы они были больше 16 тысяч, то это был бы ультразвук, который способен создать острую боль вплоть до ожога. Ощущаемая боль была слабой и тупой. Следовательно, это действие инфразвука.
Поскольку явление наблюдалось вблизи моря, то легко было заключить, что источником инфразвука является море. Порывистый ветер где-то далеко в открытом море, где зарождается шторм, воздействует на поверхность воды, которая приходит в движение, создавая волнение. Это приводит к сжатию и разрежению воздуха над поверхностью моря. Распространяясь в пространстве, эти изменения и порождают инфразвуковую волну.
Ощущать инфразвуки могут не все люди. Впоследствии выяснилось, что некоторые жители побережья чувствуют его без всякого шара, наполненного водородом. Появление тупой боли в их ушах большей частью предшествует наступлению штормовой погоды. Поэтому, опираясь лишь на многолетние наблюдения, эти люди могут задолго до начала шторма предсказать его наступление – хорошее качество для моряка, но, к сожалению, оно далеко не всем присуще, а те, кто его имеет, как правило, страдают болезнью, называемой ревматизмом.
Вернемся к выяснению роли шара, наполненного водородом, при помощи которого впервые обнаружили инфразвуковые колебания – «голос моря».
Дело сводится вот к чему. Звуковая волна независимо от частоты распространяется в воздухе с одной и той же скоростью. Когда она встречает на своем пути шар, наполненный водородом, в котором скорость распространения звука почти в четыре раза больше, на поверхности шара происходит преломление и отражение инфразвуко-вой волны. Падающая на шар инфразвуковая волна, таким образом, отражается и частично преломляется. При этом она оказывает на оболочку шара давление, величина которого меняется с частотой падающей волны.
Давление со стороны падающей инфразвуковой волны является внешней силой, которая заставляет водород внутри шара совершать вынужденные колебания.
Если объем водорода имеет собственную частоту, близкую частоте падающей на шар волны, то амплитуда этих колебаний резко возрастает. Наступает явление резонанса, появляются инфразвуковые волны, амплитуда акустического давления которых во много раз больше амплитуды волны, падающей на шар.
И эти колебания воспринимаются ухом каждого человека как слабая тупая боль.
К такому выводу пришел академик В. В. Шулейкин при объяснении «голоса моря».
Однако эти рассуждения необходимо было проверить экспериментально и результаты опыта сопоставить с изложенной теорией.
Для этого тонкостенный резиновый шар наполнили водородом и укрепили в углу комнаты в домике на берегу моря. Предварительно подсчитали собственную частоту свободных колебаний взятого шара – она оказалась равной десяти. К шару прикрепили легкий алюминиевый стержень, на другом конце которого находилось зеркало. Зеркало осветили узким пучком света, который, отражаясь, падал на шкалу.
Море было спокойно, но покой был только вблизи берега. Где-то далеко от берега над морем рыскал штормовой ветер и, обтекая волны, порождал инфразвуковые колебания. Они быстро достигли берега и ворвались в дом, заставляя резонировать шар-зонд, наполненный водородом. Зайчик света при колебаниях шара двигался по шкале то в одну, то в другую сторону.
Десять колебаний в секунду – собственная частота шара. Если он колеблется, значит, частота звуковой волны близка к его собственной частоте. Это означало, что «голос моря» – инфразвуковая волна, ибо ее частота менее 16 герц.
А после окончания опытов советский ученый Доброклонский приступил к созданию прибора, который предупреждал бы моряков о приближающемся шторме.
Прибор Доброклонского представляет собой металлический шар с открытым горлышком.
Под действием «голоса моря», то есть инфразвуковых волн, возникающих в районе шторма, воздух внутри шара приходит в колебание, а в горлышке в это время он как бы продувается то в одну, то в другую сторону, создавая сильные потоки.
Для того чтобы обнаружить этот «ветер», в шар поместили проволочку, по которой проходит электрический ток. При прохождении тока проволочка нагревается и отдает тепло в окружающий воздух. Устанавливается «нормальное» охлаждение. Температура проволочки, а следовательно, и сопротивление ее остаются постоянными. Стрелка прибора, которым измеряют силу электрического тока, при этом находится на определенном делении шкалы.
Но стоит только появиться ветру, как тепловое равновесие нарушается, так как проволочка быстрей охлаждается и ее сопротивление становится меньше. Прибор показывает большую силу тока. Это значит, что появилась инфразвуковая волна, которая является предвестником шторма.
Таким образом люди научились предсказывать наступление шторма.
Но самое интересное то, что несколько раньше, чем отклонилась стрелка прибора Доброклонского, медузы, которые нежились у самого берега в теплой воде, стали энергично уходить в море.
Мелкие ракообразные существа, которые живут в сыром морском песке, также отплывали подальше от берега. Они почувствовали приближение шторма и, опасаясь за свою жизнь, спасали ее в глубинах моря и прибрежной траве. О приближении шторма их оповестил инфразвук – «голос моря», который они слышат. Скорость инфразвука в воде 1500 метров в секунду. Поэтому задолго до прихода шторма медузы уходят в море, а морские блохи и гаморусы – на берег.
Им не нужно пользоваться приборами – природа снабдила этих жителей моря способностью улавливать инфразвуки, которой, к сожалению, лишен человек.
