ЗНАК ВОПРОСА 2002 № 02 - Валерий Иванович Гуляев

кремниевом кристаллике. Это и есть основа часов — интегральная схема, состоящая из тысячи транзисторов, соединенных в сложные структуры так, что по числу микродеталей они сопоставимы, например, с шестью телевизорами. Эти транзисторы преобразуют ультразвуковые колебания кварцевой пластинки в электрические импульсы, отсчитывающие с ювелирной точностью минуты. Практически точность хода таких часов равна одной минуте в год.

Сенсацией века называется открытие Г. А. Аскарьяном эффекта самофокусировки луча. Световой луч, проходя по воздуху, воде или любому веществу, расширяется и образует расплывчатое пятно, которое тем больше, чем большее расстояние пробежал луч. Проведя многочисленные теоретические исследования и эксперименты, Аскарьян пришел к неожиданному выводу: если луч обладает достаточной энергией, то он перестает расширяться, словно обуздывая самого себя.

Этим явлением заинтересовались отечественные и зарубежные ученые. Физики-теоретики этот замечательный эффект упрощенно объясняют следующим образом. Как известно, световой луч представляет собой электромагнитное поле, которое ориентирует определенным образом атомы (как, например, магнитное поле ориентирует металлические опилки). Луч, воздействуя на атомы среды, расставляет на своем пути бесчисленное множество микроскопических линз. Так луч сам создает волновод, вдоль которого и распространяется. Продолжив исследования, Аскарьян доказал, что самофокусироваться может не только свет, радиоволны, но также ультра- и гиперзвуковые волны, возбуждаемые мощными источниками в плотных средах. Ультразвуковой (гиперзвуковой) луч нагревает среду, частицы ее начинают колебаться ориентированно, упорядоченно. В результате образуется канал с особыми свойствами и вдоль него устремляется звук.

Даже самому смелому воображению не под силу предугадать, какие новые возможности открывают перед нами самофокусирующиеся лучи. Представьте себе ионосферу, которую пронизывают «невидимые лучи», несущие изображение и звук через воздушные и океанские просторы. Невидимые и неслышимые световые и звуковые «игольчатые» лучи как бы высвечивают океанское дно, скрывающее несметные сокровища. Сверхмощные тепловые и ультразвуковые лучи, «обрушившись» на арктический лед, сделают Северный морской путь судоходным в течение всего года.

Ученые нашей страны впервые в мировой практике создали экспериментальную физическую установку, где концентрированная энергия ультразвука может воздействовать на вещество подобно лазерному лучу. Этот «гиперболоид» создает мощный поток энергии с интенсивностью 150 кВт на квадратный сантиметр поверхности, что равно световому давлению узкого луча лазера, работающего в непрерывном режиме. Пластинка плексигласа, помещенная в такое ультразвуковое поле, мгновенно распыляется. С помощью этой установки можно отрабатывать приемы применения ультразвука в промышленных целях, создавать новые образцы ультразвуковых станков, приборов, устройств.

Чтобы исследовать вещество под электронным микроскопом, прежде всего, необходимо сделать тонкий срез или раздробить и измельчить его. До сих пор это делали в обычной ступке. Теперь не нужно растирать в ней исследуемое вещество. Достаточно поместить в специальную ванночку, нажать на кнопку, и ультразвук не только мгновенно раздробит вещество до мельчайших частиц, но и нанесет их на пленку, которую затем просвечивают электронным лучом микроскопа. Ультразвуковой прибор позволяет расширить сферу применения электронного микроскопа в химии полимеров, биологии, резиновой, нефтеперерабатывающей и в других отраслях промышленности.

Возможности ультразвука в исследовательских процессах на этом не ограничиваются. Инженеры в содружестве с биологами и медиками впервые в мировой практике решили «заглянуть» в живую клетку без вскрытия ее оболочки. Аппаратуру для этого создали сотрудники экспериментального предприятия Института основных технических проблем Польской Академии наук. В аппаратуре функции своеобразного скальпеля выполняет ультразвук. При проведении экспериментов соблюдается абсолютная стерильность, строго выдерживаются режимы давления и температуры. Эта сложная проблема решается в тесном содружестве с нашими специалистами.

Использование ультразвука в научных исследованиях продолжает расширяться и по другим направлениям. Так, например, в Северном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации предложили использовать ультразвук для измерения скорости течения воды и определения ее расхода в камерах турбин. Этот принцип исследования, как уже говорилось, нашел широкое применение также в химической и металлургической промышленности.

А если, наоборот, нужно не измерять скорость течения жидкости, а ускорять? Ультразвук и здесь пришел на помощь. Вода, бензин и особенно нефть замедляют свое течение из-за трения о стенки трубопроводов. Это, в свою очередь, значительно снижает КПД насосов. Чтобы ускорить протекание жидкости, нужно либо повысить мощность насосов, либо увеличить диаметр трубопроводов, а может быть, и то и другое одновременно. Но это экономически невыгодно. Уменьшить влияние трения на скорость позволяет своеобразная «растряска» жидкости с помощью ультразвука. Этот метод и лег в основу конструкции необычного насоса, который с помощью ультразвука перекачивает воду и бензин в двадцать раз быстрее.

Ультразвуковое устройство представляет собой пустотелый корпус со штуцерами для подвода и отвода жидкости. В корпус вмонтирован поршень, жестко соединенный с виброштоком, а другим концом — с источником ультразвука. Они-то и возбуждают в жидкости колебания ультразвуковой частоты, которые снижают межмолекулярное сцепление в потоке и трение жидкости о соприкасающуюся поверхность. Такое устройство можно применять для ускоренной заправки самолетов.

Сложнее решается задача ускорения прохождения в трубопроводах нефти. Ей необходимо придать скользящую пульсацию, что позволит передавать колебания на значительные расстояния. Использование ультразвука в этих целях обещает большой экономический эффект: затраты на изготовление ультразвуковых устройств незначительны, уменьшатся капиталовложения на прокладку нефтепроводов, сократятся земляные работы. Внедрение ультразвуковых устройств намного повышает пропускную способность действующих нефтяных трубопроводов. Кроме того, для перекачки жидких сред в заданных объемах может быть уменьшен диаметр трубопроводов пропорционально увеличению скорости. Вибрационные насосы с ультразвуковыми устройствами целесообразно устанавливать примерно через каждые 10 км нефтепроводов. Такие устройства могут применяться в металлургии для ускорения разливки расплавленного металла, а также в химической промышленности.

Еще одна проблема — неполное сгорание топлива. Это серьезный недостаток многих промышленных горелок, приводящий к образованию копоти и загрязнению воздуха газами. Его нет у горелок, в которых горючая смесь приготавливается ультразвуком. Вот как это делается. Воздух с парами топлива перемешивается в специальной камере, которую называют камерой звучания, поскольку именно в ней возникают колебания воздуха ультразвуковой частоты. Причина их появления — узкие щели, сквозь которые проходит воздух. Устойчивость ультразвуковых колебаний поддерживается кольцевой полостью, опоясывающей камеру звучания.

И наоборот, ультразвук способен «усмирять» пламя горелки. Секрет этого эффекта кроется во взаимодействии ультразвуковых волн с низкочастотной вибрацией, возникающей в пламени горелки. Ультразвуковые волны, пронизывая пламя, уничтожают опасную пульсацию. Специалисты считают, что ультразвуковые горелки смогут работать на газе среднего и высокого давления. Сейчас промышленные горелки работают в основном на давлении примерно 0,01 МПа, давление в газопроводах для дальней транспортировки значительно выше. Применение ультразвуковых горелок позволит обойтись без газораспределительных станций. Помимо всего прочего, ультразвук помогает формировать факел. А это значит, что топки станут значительно компактнее.

Имеется еще одна зависимость между горением и ультразвуком. Пламя отражает ультразвуковые волны, являясь как бы зеркалом для ультразвука. Предполагают, что отражение вызывается различной плотностью газов в самом пламени и его газовом окружении. Открытие привлекло внимание