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.
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.
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.