Вот когда пригодился забытый эффект. Опыты Ланжевена, проведенные в 1916 году, оказались успешными. Он быстро сконструировал прибор, который улавливал шум подводных лодок, и подводные лодки уже не могли считать себя неуловимыми. А Ланжевен экспериментировал дальше. Он попробовал подействовать на пластинки кварца током высокой частоты — попеременно заряжать грани кристалла кварца электричеством от генератора переменного тока. И кристалл покорно повторял изменения тока — он начал колебаться в такт с изменением знаков заряда. Так пьезоэлектрический эффект и был вывернут наизнанку, то есть обращен для получения колебаний высокой частоты. Мы скоро узнаем, для чего это было сделано. Быструю перемену электрических зарядов на гранях кристалла в то время уже умели производить при помощи специальных электрических генераторов. Число колебаний в секунду довели до десятков и сотен тысяч.
Так, используя пьезоэлектрики, научились получать ультразвуки.
Другой способ получения ультразвука был открыт и исследован тоже не совсем обычно. Немецкий физик Джоуль в 1847 году при изучении магнитных свойств металлов обнаружил странное явление. Он брал стержень из хорошо намагничивающихся веществ, таких, как железо, кобальт, никель, наматывал на него провод, а затем пропускал переменный ток. И под действием переменного магнитного поля, которое в этом случае возникало, стержень изменял свои размеры и форму. Он то уменьшался, то увеличивался в такт с изменением направления тока. Колеблющийся стержень способен вызвать колебания окружающего воздуха, то есть породить звуки. Но если число перемен направления тока в секунду сделать очень большим и, следовательно, заставить стержень совершать такое же число колебаний, то можно получить колебания очень высокой частоты — звуки, не слышимые ухом.
Изменение размеров стержня при перемагничивании получило название магнитострикции, от латинского слова «стрикстус», что означает сжатие. Это явление также обратимо. При быстром сжатии или растяжении такого стержня в проволоке, которой он обмотан, потечет переменный электрический ток.
Магнитострикция значительно большее время находилась в забвении, хотя и была открыта гораздо раньше, чем пьезоэлектричество. Мысль об использовании этого явления для получения колебаний высокой частоты возникла совсем недавно, уже после того, как были созданы пьезоэлектрические излучатели и приемники ультразвука.
А между тем магнитострикционные приборы прочны и удобны в обращении. Поэтому сейчас они становятся все распространеннее.
Мы не будем касаться конструкции различных приборов, в которых используются явления пьезоэлектричества и магнитострикции для получения ультразвука.
Лучше поговорим теперь о том, зачем нам собственно понадобились неслышимые ультразвуки, чем они помогают нам жить, как используются.
Это целая глава в современной технике, глава новая, которая написана совсем недавно. К ней все время дописываются целые разделы. И многое из того, о чем мы здесь расскажем, вас, наверное, удивит, так как вы узнаете, что давно пользуетесь услугами ультразвука, что он ваш старый, хороший друг.
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.
